Merge branch 'master' into kiconv2
[dragonfly.git] / contrib / gcc-4.4 / gcc / doc / passes.texi
1 @c markers: CROSSREF BUG TODO
2
3 @c Copyright (C) 1988, 1989, 1992, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999,
4 @c 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 Free Software
5 @c Foundation, Inc.
6 @c This is part of the GCC manual.
7 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
8
9 @node Passes
10 @chapter Passes and Files of the Compiler
11 @cindex passes and files of the compiler
12 @cindex files and passes of the compiler
13 @cindex compiler passes and files
14
15 This chapter is dedicated to giving an overview of the optimization and
16 code generation passes of the compiler.  In the process, it describes
17 some of the language front end interface, though this description is no
18 where near complete.
19
20 @menu
21 * Parsing pass::         The language front end turns text into bits.
22 * Gimplification pass::  The bits are turned into something we can optimize.
23 * Pass manager::         Sequencing the optimization passes.
24 * Tree SSA passes::      Optimizations on a high-level representation.
25 * RTL passes::           Optimizations on a low-level representation.
26 @end menu
27
28 @node Parsing pass
29 @section Parsing pass
30 @cindex GENERIC
31 @findex lang_hooks.parse_file
32 The language front end is invoked only once, via
33 @code{lang_hooks.parse_file}, to parse the entire input.  The language
34 front end may use any intermediate language representation deemed
35 appropriate.  The C front end uses GENERIC trees (CROSSREF), plus
36 a double handful of language specific tree codes defined in
37 @file{c-common.def}.  The Fortran front end uses a completely different
38 private representation.
39
40 @cindex GIMPLE
41 @cindex gimplification
42 @cindex gimplifier
43 @cindex language-independent intermediate representation
44 @cindex intermediate representation lowering
45 @cindex lowering, language-dependent intermediate representation
46 At some point the front end must translate the representation used in the
47 front end to a representation understood by the language-independent
48 portions of the compiler.  Current practice takes one of two forms.
49 The C front end manually invokes the gimplifier (CROSSREF) on each function,
50 and uses the gimplifier callbacks to convert the language-specific tree
51 nodes directly to GIMPLE (CROSSREF) before passing the function off to
52 be compiled.
53 The Fortran front end converts from a private representation to GENERIC,
54 which is later lowered to GIMPLE when the function is compiled.  Which
55 route to choose probably depends on how well GENERIC (plus extensions)
56 can be made to match up with the source language and necessary parsing
57 data structures.
58
59 BUG: Gimplification must occur before nested function lowering,
60 and nested function lowering must be done by the front end before
61 passing the data off to cgraph.
62
63 TODO: Cgraph should control nested function lowering.  It would
64 only be invoked when it is certain that the outer-most function
65 is used.
66
67 TODO: Cgraph needs a gimplify_function callback.  It should be
68 invoked when (1) it is certain that the function is used, (2)
69 warning flags specified by the user require some amount of
70 compilation in order to honor, (3) the language indicates that
71 semantic analysis is not complete until gimplification occurs.
72 Hum@dots{} this sounds overly complicated.  Perhaps we should just
73 have the front end gimplify always; in most cases it's only one
74 function call.
75
76 The front end needs to pass all function definitions and top level
77 declarations off to the middle-end so that they can be compiled and
78 emitted to the object file.  For a simple procedural language, it is
79 usually most convenient to do this as each top level declaration or
80 definition is seen.  There is also a distinction to be made between
81 generating functional code and generating complete debug information.
82 The only thing that is absolutely required for functional code is that
83 function and data @emph{definitions} be passed to the middle-end.  For
84 complete debug information, function, data and type declarations
85 should all be passed as well.
86
87 @findex rest_of_decl_compilation
88 @findex rest_of_type_compilation
89 @findex cgraph_finalize_function
90 In any case, the front end needs each complete top-level function or
91 data declaration, and each data definition should be passed to
92 @code{rest_of_decl_compilation}.  Each complete type definition should
93 be passed to @code{rest_of_type_compilation}.  Each function definition
94 should be passed to @code{cgraph_finalize_function}.
95
96 TODO: I know rest_of_compilation currently has all sorts of
97 RTL generation semantics.  I plan to move all code generation
98 bits (both Tree and RTL) to compile_function.  Should we hide
99 cgraph from the front ends and move back to rest_of_compilation
100 as the official interface?  Possibly we should rename all three
101 interfaces such that the names match in some meaningful way and
102 that is more descriptive than "rest_of".
103
104 The middle-end will, at its option, emit the function and data
105 definitions immediately or queue them for later processing.
106
107 @node Gimplification pass
108 @section Gimplification pass
109
110 @cindex gimplification
111 @cindex GIMPLE
112 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
113 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
114 (CROSSREF).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
115 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
116 section of code.
117
118 @cindex GENERIC
119 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
120 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
121 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
122 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
123 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
124
125 @findex gimplify_function_tree
126 @findex gimplify_expr
127 @findex lang_hooks.gimplify_expr
128 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
129 located in @file{gimplify.c}.  From here we process the entire
130 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
131 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
132 passes through here at least once, and it is from here that we
133 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
134
135 The callback should examine the expression in question and return
136 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
137 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
138 expression in some way to such that forward progress is made toward
139 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
140 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
141 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
142 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
143 If the callback encounters an error during the transformation (because
144 the front end is relying on the gimplification process to finish
145 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
146
147 @node Pass manager
148 @section Pass manager
149
150 The pass manager is located in @file{passes.c}, @file{tree-optimize.c}
151 and @file{tree-pass.h}.
152 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
153 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
154
155 The theory of operation is that each pass defines a structure that
156 represents everything we need to know about that pass---when it
157 should be run, how it should be run, what intermediate language
158 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
159 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
160 for everything to happen in the correct order.
161
162 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
163 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
164 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
165 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
166 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
167 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
168
169 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
170 Passes without any names, or with a name starting with a star, do not
171 dump anything.
172
173 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
174 and a brief description of how a new pass should use it.
175 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
176
177 @node Tree SSA passes
178 @section Tree SSA passes
179
180 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
181 run after gimplification and what source files they are located in.
182
183 @itemize @bullet
184 @item Remove useless statements
185
186 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
187 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
188 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
189 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
190 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
191 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
192 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
193 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.c} and described by
194 @code{pass_remove_useless_stmts}.
195
196 @item Mudflap declaration registration
197
198 If mudflap (@pxref{Optimize Options,,-fmudflap -fmudflapth
199 -fmudflapir,gcc,Using the GNU Compiler Collection (GCC)}) is
200 enabled, we generate code to register some variable declarations with
201 the mudflap runtime.  Specifically, the runtime tracks the lifetimes of
202 those variable declarations that have their addresses taken, or whose
203 bounds are unknown at compile time (@code{extern}).  This pass generates
204 new exception handling constructs (@code{try}/@code{finally}), and so
205 must run before those are lowered.  In addition, the pass enqueues
206 declarations of static variables whose lifetimes extend to the entire
207 program.  The pass is located in @file{tree-mudflap.c} and is described
208 by @code{pass_mudflap_1}.
209
210 @item OpenMP lowering
211
212 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
213 OpenMP constructs into GIMPLE.
214
215 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
216 expressions for local variables that have been mapped using data
217 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
218 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
219 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is
220 described by @code{pass_lower_omp}.
221
222 @item OpenMP expansion
223
224 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
225 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
226 library.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is described by
227 @code{pass_expand_omp}.
228
229 @item Lower control flow
230
231 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
232 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
233 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
234 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
235 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
236 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
237 pass is found in @file{gimple-low.c} and is described by
238 @code{pass_lower_cf}.
239
240 @item Lower exception handling control flow
241
242 This pass decomposes high-level exception handling constructs
243 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
244 that explicitly represents the control flow involved.  After this
245 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
246 number for any statement that may have EH control flow semantics;
247 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
248 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
249 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
250 in @file{except.h} and built in @file{except.c}.  The lowering pass
251 itself is in @file{tree-eh.c} and is described by @code{pass_lower_eh}.
252
253 @item Build the control flow graph
254
255 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
256 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
257 is described by @code{pass_build_cfg}.
258
259 @item Find all referenced variables
260
261 This pass walks the entire function and collects an array of all
262 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
263 index at which a variable is found in the array is used as a UID
264 for the variable within this function.  This data is needed by the
265 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.c}
266 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
267
268 @item Enter static single assignment form
269
270 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
271 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
272 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
273 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
274 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
275 located in @file{tree-ssa.c} and is described by @code{pass_build_ssa}.
276
277 @item Warn for uninitialized variables
278
279 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
280 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
281 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
282 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
283 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
284 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.c}
285 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
286 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
287
288 @item Dead code elimination
289
290 This pass scans the function for statements without side effects whose
291 result is unused.  It does not do memory life analysis, so any value
292 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
293 times throughout the optimization process.  It is located in
294 @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_dce}.
295
296 @item Dominator optimizations
297
298 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
299 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
300 throughout the optimization process.  It it located in @file{tree-ssa-dom.c}
301 and is described by @code{pass_dominator}.
302
303 @item Forward propagation of single-use variables
304
305 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
306 variables that are used once into the expression that uses them and
307 seeing if the result can be simplified.  It is located in
308 @file{tree-ssa-forwprop.c} and is described by @code{pass_forwprop}.
309
310 @item Copy Renaming
311
312 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
313 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
314 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
315 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
316 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
317 @code{pass_copyrename}.
318
319 @item PHI node optimizations
320
321 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
322 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
323 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.c} and is described by
324 @code{pass_phiopt}.
325
326 @item May-alias optimization
327
328 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
329 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
330 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
331 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
332 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
333 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
334 in @file{tree-ssa-alias.c} and is described by @code{pass_may_alias}.
335
336 Interprocedural points-to information is located in
337 @file{tree-ssa-structalias.c} and described by @code{pass_ipa_pta}.
338
339 @item Profiling
340
341 This pass rewrites the function in order to collect runtime block
342 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
343 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
344 execution frequencies.  The pass is located in @file{predict.c} and
345 is described by @code{pass_profile}.
346
347 @item Lower complex arithmetic
348
349 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
350 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.c}
351 and is described by @code{pass_lower_complex}.
352
353 @item Scalar replacement of aggregates
354
355 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
356 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
357 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
358 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
359 @file{tree-sra.c} and is described by @code{pass_sra}.
360
361 @item Dead store elimination
362
363 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
364 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
365 in @file{tree-ssa-dse.c} and is described by @code{pass_dse}.
366
367 @item Tail recursion elimination
368
369 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
370 @file{tree-tailcall.c} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
371
372 @item Forward store motion
373
374 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
375 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.c} and is
376 described by @code{pass_sink_code}.
377
378 @item Partial redundancy elimination
379
380 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
381 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.c}
382 and is described by @code{pass_pre}.
383
384 Just before partial redundancy elimination, if
385 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
386 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
387 in @file{tree-ssa-math-opts.c} and is described by
388 @code{pass_cse_reciprocal}.
389
390 @item Full redundancy elimination
391
392 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
393 occur an all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.c} and
394 described by @code{pass_fre}.
395
396 @item Loop optimization
397
398 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.c}
399 and described by @code{pass_loop}.
400
401 The optimizations performed by this pass are:
402
403 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
404 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
405 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
406 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
407 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
408 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.c}.
409
410 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
411 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
412 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
413 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
414 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c}.
415
416 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
417 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
418 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
419 @file{tree-ssa-loop-ivopts.c}.
420
421 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
422 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
423 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
424 @file{tree-ssa-loop-unswitch.c}.  This pass should eventually replace the
425 RTL level loop unswitching in @file{loop-unswitch.c}, but currently
426 the RTL level pass is not completely redundant yet due to deficiencies
427 in tree level alias analysis.
428
429 The optimizations also use various utility functions contained in
430 @file{tree-ssa-loop-manip.c}, @file{cfgloop.c}, @file{cfgloopanal.c} and
431 @file{cfgloopmanip.c}.
432
433 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
434 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
435 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate 
436 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is 
437 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
438 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the 
439 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
440 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
441 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the loop.
442 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver and general
443 utilities), @file{tree-vect-analyze.c} and @file{tree-vect-transform.c}.
444 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.c}.
445
446 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
447 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.c}.
448
449 @item Tree level if-conversion for vectorizer
450
451 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
452 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
453 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
454 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
455 and available vector operations.  This patch re-introduces COND_EXPR
456 at GIMPLE level.  This pass is located in @file{tree-if-conv.c} and is
457 described by @code{pass_if_conversion}.
458
459 @item Conditional constant propagation
460
461 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
462 that must be constant even in the presence of conditional branches.
463 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and is described
464 by @code{pass_ccp}.
465
466 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
467 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and described by
468 @code{pass_store_ccp}.
469
470 @item Conditional copy propagation
471
472 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
473 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
474 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
475 @code{pass_copy_prop}.
476
477 A related pass that works on memory copies, and not just register
478 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
479 @code{pass_store_copy_prop}.
480
481 @item Value range propagation
482
483 This transformation is similar to constant propagation but
484 instead of propagating single constant values, it propagates
485 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
486 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
487 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
488 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
489 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
490 range per SSA name. This means that the current implementation
491 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
492 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.c} and is
493 described by @code{pass_vrp}.
494
495 @item Folding built-in functions
496
497 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
498 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
499 @file{tree-ssa-ccp.c} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
500
501 @item Split critical edges
502
503 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
504 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
505 @file{tree-cfg.c} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
506
507 @item Control dependence dead code elimination
508
509 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
510 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
511 in @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_cd_dce}.
512
513 @item Tail call elimination
514
515 This pass identifies function calls that may be rewritten into
516 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
517 data and control flow problem is solved.  The code transformation
518 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
519 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
520 The pass is located in @file{tree-tailcall.c} and is described by
521 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
522 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.c}.
523
524 @item Warn for function return without value
525
526 For non-void functions, this pass locates return statements that do
527 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
528 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
529 run last so that we have as much time as possible to prove that the
530 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
531 is described by @code{pass_warn_function_return}.
532
533 @item Mudflap statement annotation
534
535 If mudflap is enabled, we rewrite some memory accesses with code to
536 validate that the memory access is correct.  In particular, expressions
537 involving pointer dereferences (@code{INDIRECT_REF}, @code{ARRAY_REF},
538 etc.) are replaced by code that checks the selected address range
539 against the mudflap runtime's database of valid regions.  This check
540 includes an inline lookup into a direct-mapped cache, based on
541 shift/mask operations of the pointer value, with a fallback function
542 call into the runtime.  The pass is located in @file{tree-mudflap.c} and
543 is described by @code{pass_mudflap_2}.
544
545 @item Leave static single assignment form
546
547 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
548 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
549 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
550 pass is located in @file{tree-outof-ssa.c} and is described by
551 @code{pass_del_ssa}.
552
553 @item Merge PHI nodes that feed into one another
554
555 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
556 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
557 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.c} and is described by
558 @code{pass_merge_phi}.
559
560 @item Return value optimization
561
562 If a function always returns the same local variable, and that local
563 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
564 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
565 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
566 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.c} and is described by
567 @code{pass_nrv}.
568
569 @item Return slot optimization
570
571 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
572 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
573 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
574 pass is located in @code{tree-nrv.c} and is described by
575 @code{pass_return_slot}.
576
577 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size}
578
579 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls
580 to @code{__builtin_object_size} when the size of the object can be
581 computed at compile-time.  This pass is located in
582 @file{tree-object-size.c} and is described by
583 @code{pass_object_sizes}.
584
585 @item Loop invariant motion
586
587 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
588 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.c} and described by
589 @code{pass_lim}.
590
591 @item Loop nest optimizations
592
593 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
594 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
595 all geared to the optimization of data locality in array traversals
596 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
597 parallelization and vectorization.  The pass is located in
598 @file{tree-loop-linear.c} and described by
599 @code{pass_linear_transform}.
600
601 @item Removal of empty loops
602
603 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
604 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
605 @code{pass_empty_loop}.
606
607 @item Unrolling of small loops
608
609 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
610 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
611 @code{pass_complete_unroll}.
612
613 @item Predictive commoning
614
615 This pass makes the code reuse the computations from the previous
616 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
617 It does so by storing the values of these computations to a bank
618 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
619 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
620 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
621 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.c}
622 and described by @code{pass_predcom}.
623
624 @item Array prefetching
625
626 This pass issues prefetch instructions for array references inside
627 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.c} and
628 described by @code{pass_loop_prefetch}.
629
630 @item Reassociation
631
632 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
633 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
634 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.c} and described by
635 @code{pass_reassoc}.
636
637 @item Optimization of @code{stdarg} functions
638
639 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
640 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
641 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
642 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
643 escape the function, it is only necessary to save registers that will
644 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
645 only used with integral types in the function, floating point
646 registers don't need to be saved.  This pass is located in
647 @code{tree-stdarg.c} and described by @code{pass_stdarg}.
648
649 @end itemize
650
651 @node RTL passes
652 @section RTL passes
653
654 The following briefly describes the RTL generation and optimization
655 passes that are run after the Tree optimization passes.
656
657 @itemize @bullet
658 @item RTL generation
659
660 @c Avoiding overfull is tricky here.
661 The source files for RTL generation include
662 @file{stmt.c},
663 @file{calls.c},
664 @file{expr.c},
665 @file{explow.c},
666 @file{expmed.c},
667 @file{function.c},
668 @file{optabs.c}
669 and @file{emit-rtl.c}.
670 Also, the file
671 @file{insn-emit.c}, generated from the machine description by the
672 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
673 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
674
675 @findex genflags
676 @findex gencodes
677 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
678 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
679 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
680 for use and which patterns correspond to them.
681
682 @item Generation of exception landing pads
683
684 This pass generates the glue that handles communication between the
685 exception handling library routines and the exception handlers within
686 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
687 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
688 for this pass is located in @file{except.c}.
689
690 @item Control flow graph cleanup
691
692 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
693 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
694 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
695 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
696 @file{cfgcleanup.c}, and there are support routines in @file{cfgrtl.c}
697 and @file{jump.c}.
698
699 @item Forward propagation of single-def values
700
701 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
702 variables that come from a single definition, and
703 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
704 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
705 being propagated into loops only on the second run.  The code is
706 located in @file{fwprop.c}.
707
708 @item Common subexpression elimination
709
710 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
711 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
712 The code for this pass is located in @file{cse.c}.
713
714 @item Global common subexpression elimination
715
716 This pass performs two
717 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
718 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
719 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
720 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
721 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
722 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
723 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
724 well as load motion.
725 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
726 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
727 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
728 and store motion when optimizing for speed.
729 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
730 global constant and  copy propagation.
731 The source file for this pass is @file{gcse.c}, and the LCM routines
732 are in @file{lcm.c}.
733
734 @item Loop optimization
735
736 This pass performs several loop related optimizations.
737 The source files @file{cfgloopanal.c} and @file{cfgloopmanip.c} contain
738 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
739 of loop structures is handled by @file{loop-init.c}.
740 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.c}.
741 Basic block level optimizations---unrolling, peeling and unswitching loops---
742 are implemented in @file{loop-unswitch.c} and @file{loop-unroll.c}.
743 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
744 instructions is handled by @file{loop-doloop.c}.
745
746 @item Jump bypassing
747
748 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
749 flow graph of a function by propagating constants into conditional
750 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.c}.
751
752 @item If conversion
753
754 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
755 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
756 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
757 invocation after reload, it will generate predicated instructions
758 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.c}.
759
760 @item Web construction
761
762 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
763 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
764 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.c}.
765
766 @item Instruction combination
767
768 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
769 are related by data flow into single instructions.  It combines the
770 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
771 result using algebra, and then attempts to match the result against
772 the machine description.  The code is located in @file{combine.c}.
773
774 @item Register movement
775
776 This pass looks for cases where matching constraints would force an
777 instruction to need a reload, and this reload would be a
778 register-to-register move.  It then attempts to change the registers
779 used by the instruction to avoid the move instruction.  The code is
780 located in @file{regmove.c}.
781
782 @item Mode switching optimization
783
784 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
785 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
786 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
787 completely target-specific.  The code for this pass is located in
788 @file{mode-switching.c}.
789
790 @cindex modulo scheduling
791 @cindex sms, swing, software pipelining
792 @item Modulo scheduling
793
794 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
795 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
796 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
797 located in @file{modulo-sched.c}.
798
799 @item Instruction scheduling
800
801 This pass looks for instructions whose output will not be available by
802 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
803 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
804 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
805 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
806 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
807 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.c},
808 @file{sched-deps.c}, @file{sched-ebb.c}, @file{sched-rgn.c} and
809 @file{sched-vis.c}.
810
811 @item Register allocation
812
813 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
814 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
815 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
816 them on the stack.  This is done in several subpasses:
817
818 @itemize @bullet
819 @item
820 Register move optimizations.  This pass makes some simple RTL code
821 transformations which improve the subsequent register allocation.  The
822 source file is @file{regmove.c}.
823
824 @item
825 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
826 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
827 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
828 has better integration with the reload pass.  Pseudo-registers spilled
829 by the allocator or the reload have still a chance to get
830 hard-registers if the reload evicts some pseudo-registers from
831 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
832 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
833 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
834 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
835 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
836 register pressure but the user can force it to use one region or
837 regions corresponding to all loops.
838
839 Source files of the allocator are @file{ira.c}, @file{ira-build.c},
840 @file{ira-costs.c}, @file{ira-conflicts.c}, @file{ira-color.c},
841 @file{ira-emit.c}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
842 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
843 and the rest of the compiler and between the IRA files.
844
845 @cindex reloading
846 @item
847 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
848 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
849 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
850 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
851 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
852 up these instructions by reloading the problematical values
853 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
854 do the copying.
855
856 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
857 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
858
859 Source files are @file{reload.c} and @file{reload1.c}, plus the header
860 @file{reload.h} used for communication between them.
861 @end itemize
862
863 @item Basic block reordering
864
865 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
866 information is not available, various types of static analysis are
867 performed to make the predictions normally coming from the profile
868 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
869 implemented in the file @file{bb-reorder.c}, and the various
870 prediction routines are in @file{predict.c}.
871
872 @item Variable tracking
873
874 This pass computes where the variables are stored at each
875 position in code and generates notes describing the variable locations
876 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
877 notes to debug information if the debugging information format supports
878 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.c}.
879
880 @item Delayed branch scheduling
881
882 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
883 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
884 for this pass is located in @file{reorg.c}.
885
886 @item Branch shortening
887
888 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
889 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
890 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
891 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
892 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
893 The code for this pass is located in @file{final.c}.
894
895 @item Register-to-stack conversion
896
897 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
898 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
899 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
900 code for this pass is located in @file{reg-stack.c}.
901
902 @item Final
903
904 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
905 are @file{final.c} plus @file{insn-output.c}; the latter is generated
906 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
907 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
908 these files.  If mudflap is enabled, the queue of deferred declarations
909 and any addressed constants (e.g., string literals) is processed by
910 @code{mudflap_finish_file} into a synthetic constructor function
911 containing calls into the mudflap runtime.
912
913 @item Debugging information output
914
915 This is run after final because it must output the stack slot offsets
916 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
917 are @file{dbxout.c} for DBX symbol table format, @file{sdbout.c} for
918 SDB symbol table format, @file{dwarfout.c} for DWARF symbol table
919 format, files @file{dwarf2out.c} and @file{dwarf2asm.c} for DWARF2
920 symbol table format, and @file{vmsdbgout.c} for VMS debug symbol table
921 format.
922
923 @end itemize