Import pre-release gcc-5.0 to new vendor branch
[dragonfly.git] / contrib / gcc-5.0 / gcc / doc / passes.texi
1 @c markers: BUG TODO
2
3 @c Copyright (C) 1988-2015 Free Software Foundation, Inc.
4 @c This is part of the GCC manual.
5 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
6
7 @node Passes
8 @chapter Passes and Files of the Compiler
9 @cindex passes and files of the compiler
10 @cindex files and passes of the compiler
11 @cindex compiler passes and files
12 @cindex pass dumps
13
14 This chapter is dedicated to giving an overview of the optimization and
15 code generation passes of the compiler.  In the process, it describes
16 some of the language front end interface, though this description is no
17 where near complete.
18
19 @menu
20 * Parsing pass::         The language front end turns text into bits.
21 * Cilk Plus Transformation:: Transform Cilk Plus Code to equivalent C/C++.
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 * Optimization info::    Dumping optimization information from passes.
27 @end menu
28
29 @node Parsing pass
30 @section Parsing pass
31 @cindex GENERIC
32 @findex lang_hooks.parse_file
33 The language front end is invoked only once, via
34 @code{lang_hooks.parse_file}, to parse the entire input.  The language
35 front end may use any intermediate language representation deemed
36 appropriate.  The C front end uses GENERIC trees (@pxref{GENERIC}), plus
37 a double handful of language specific tree codes defined in
38 @file{c-common.def}.  The Fortran front end uses a completely different
39 private representation.
40
41 @cindex GIMPLE
42 @cindex gimplification
43 @cindex gimplifier
44 @cindex language-independent intermediate representation
45 @cindex intermediate representation lowering
46 @cindex lowering, language-dependent intermediate representation
47 At some point the front end must translate the representation used in the
48 front end to a representation understood by the language-independent
49 portions of the compiler.  Current practice takes one of two forms.
50 The C front end manually invokes the gimplifier (@pxref{GIMPLE}) on each function,
51 and uses the gimplifier callbacks to convert the language-specific tree
52 nodes directly to GIMPLE before passing the function off to 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 Cilk Plus Transformation
108 @section Cilk Plus Transformation
109 @cindex CILK_PLUS
110
111 If Cilk Plus generation (flag @option{-fcilkplus}) is enabled, all the Cilk 
112 Plus code is transformed into equivalent C and C++ functions.  Majority of this 
113 transformation occurs toward the end of the parsing and right before the 
114 gimplification pass.  
115
116 These are the major components to the Cilk Plus language extension:
117 @itemize @bullet
118 @item Array Notations:
119 During parsing phase, all the array notation specific information is stored in 
120 @code{ARRAY_NOTATION_REF} tree using the function 
121 @code{c_parser_array_notation}.  During the end of parsing, we check the entire
122 function to see if there are any array notation specific code (using the 
123 function @code{contains_array_notation_expr}).  If this function returns 
124 true, then we expand them using either @code{expand_array_notation_exprs} or
125 @code{build_array_notation_expr}.  For the cases where array notations are 
126 inside conditions, they are transformed using the function 
127 @code{fix_conditional_array_notations}.  The C language-specific routines are 
128 located in @file{c/c-array-notation.c} and the equivalent C++ routines are in 
129 the file @file{cp/cp-array-notation.c}.  Common routines such as functions to 
130 initialize built-in functions are stored in @file{array-notation-common.c}.
131
132 @item Cilk keywords:
133 @itemize @bullet 
134 @item @code{_Cilk_spawn}:
135 The @code{_Cilk_spawn} keyword is parsed and the function it contains is marked 
136 as a spawning function.  The spawning function is called the spawner.  At 
137 the end of the parsing phase, appropriate built-in functions are 
138 added to the spawner that are defined in the Cilk runtime.  The appropriate 
139 locations of these functions, and the internal structures are detailed in 
140 @code{cilk_init_builtins} in the file @file{cilk-common.c}.  The pointers to 
141 Cilk functions and fields of internal structures are described 
142 in @file{cilk.h}.  The built-in functions are described in 
143 @file{cilk-builtins.def}.
144
145 During gimplification, a new "spawn-helper" function is created.  
146 The spawned function is replaced with a spawn helper function in the spawner.  
147 The spawned function-call is moved into the spawn helper.  The main function
148 that does these transformations is @code{gimplify_cilk_spawn} in
149 @file{c-family/cilk.c}.  In the spawn-helper, the gimplification function 
150 @code{gimplify_call_expr}, inserts a function call @code{__cilkrts_detach}.
151 This function is expanded by @code{builtin_expand_cilk_detach} located in
152 @file{c-family/cilk.c}.
153
154 @item @code{_Cilk_sync}:
155 @code{_Cilk_sync} is parsed like a keyword.  During gimplification, 
156 the function @code{gimplify_cilk_sync} in @file{c-family/cilk.c}, will replace
157 this keyword with a set of functions that are stored in the Cilk runtime.  
158 One of the internal functions inserted during gimplification, 
159 @code{__cilkrts_pop_frame} must be expanded by the compiler and is 
160 done by @code{builtin_expand_cilk_pop_frame} in @file{cilk-common.c}.
161
162 @end itemize
163 @end itemize
164
165 Documentation about Cilk Plus and language specification is provided under the
166 "Learn" section in @w{@uref{http://www.cilkplus.org/}}.  It is worth mentioning
167 that the current implementation follows ABI 1.1.
168
169 @node Gimplification pass
170 @section Gimplification pass
171
172 @cindex gimplification
173 @cindex GIMPLE
174 @dfn{Gimplification} is a whimsical term for the process of converting
175 the intermediate representation of a function into the GIMPLE language
176 (@pxref{GIMPLE}).  The term stuck, and so words like ``gimplification'',
177 ``gimplify'', ``gimplifier'' and the like are sprinkled throughout this
178 section of code.
179
180 While a front end may certainly choose to generate GIMPLE directly if
181 it chooses, this can be a moderately complex process unless the
182 intermediate language used by the front end is already fairly simple.
183 Usually it is easier to generate GENERIC trees plus extensions
184 and let the language-independent gimplifier do most of the work.
185
186 @findex gimplify_function_tree
187 @findex gimplify_expr
188 @findex lang_hooks.gimplify_expr
189 The main entry point to this pass is @code{gimplify_function_tree}
190 located in @file{gimplify.c}.  From here we process the entire
191 function gimplifying each statement in turn.  The main workhorse
192 for this pass is @code{gimplify_expr}.  Approximately everything
193 passes through here at least once, and it is from here that we
194 invoke the @code{lang_hooks.gimplify_expr} callback.
195
196 The callback should examine the expression in question and return
197 @code{GS_UNHANDLED} if the expression is not a language specific
198 construct that requires attention.  Otherwise it should alter the
199 expression in some way to such that forward progress is made toward
200 producing valid GIMPLE@.  If the callback is certain that the
201 transformation is complete and the expression is valid GIMPLE, it
202 should return @code{GS_ALL_DONE}.  Otherwise it should return
203 @code{GS_OK}, which will cause the expression to be processed again.
204 If the callback encounters an error during the transformation (because
205 the front end is relying on the gimplification process to finish
206 semantic checks), it should return @code{GS_ERROR}.
207
208 @node Pass manager
209 @section Pass manager
210
211 The pass manager is located in @file{passes.c}, @file{tree-optimize.c}
212 and @file{tree-pass.h}.
213 It processes passes as described in @file{passes.def}.
214 Its job is to run all of the individual passes in the correct order,
215 and take care of standard bookkeeping that applies to every pass.
216
217 The theory of operation is that each pass defines a structure that
218 represents everything we need to know about that pass---when it
219 should be run, how it should be run, what intermediate language
220 form or on-the-side data structures it needs.  We register the pass
221 to be run in some particular order, and the pass manager arranges
222 for everything to happen in the correct order.
223
224 The actuality doesn't completely live up to the theory at present.
225 Command-line switches and @code{timevar_id_t} enumerations must still
226 be defined elsewhere.  The pass manager validates constraints but does
227 not attempt to (re-)generate data structures or lower intermediate
228 language form based on the requirements of the next pass.  Nevertheless,
229 what is present is useful, and a far sight better than nothing at all.
230
231 Each pass should have a unique name.
232 Each pass may have its own dump file (for GCC debugging purposes).
233 Passes with a name starting with a star do not dump anything.
234 Sometimes passes are supposed to share a dump file / option name.
235 To still give these unique names, you can use a prefix that is delimited
236 by a space from the part that is used for the dump file / option name.
237 E.g. When the pass name is "ud dce", the name used for dump file/options
238 is "dce".
239
240 TODO: describe the global variables set up by the pass manager,
241 and a brief description of how a new pass should use it.
242 I need to look at what info RTL passes use first@enddots{}
243
244 @node Tree SSA passes
245 @section Tree SSA passes
246
247 The following briefly describes the Tree optimization passes that are
248 run after gimplification and what source files they are located in.
249
250 @itemize @bullet
251 @item Remove useless statements
252
253 This pass is an extremely simple sweep across the gimple code in which
254 we identify obviously dead code and remove it.  Here we do things like
255 simplify @code{if} statements with constant conditions, remove
256 exception handling constructs surrounding code that obviously cannot
257 throw, remove lexical bindings that contain no variables, and other
258 assorted simplistic cleanups.  The idea is to get rid of the obvious
259 stuff quickly rather than wait until later when it's more work to get
260 rid of it.  This pass is located in @file{tree-cfg.c} and described by
261 @code{pass_remove_useless_stmts}.
262
263 @item OpenMP lowering
264
265 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass lowers
266 OpenMP constructs into GIMPLE.
267
268 Lowering of OpenMP constructs involves creating replacement
269 expressions for local variables that have been mapped using data
270 sharing clauses, exposing the control flow of most synchronization
271 directives and adding region markers to facilitate the creation of the
272 control flow graph.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is
273 described by @code{pass_lower_omp}.
274
275 @item OpenMP expansion
276
277 If OpenMP generation (@option{-fopenmp}) is enabled, this pass expands
278 parallel regions into their own functions to be invoked by the thread
279 library.  The pass is located in @file{omp-low.c} and is described by
280 @code{pass_expand_omp}.
281
282 @item Lower control flow
283
284 This pass flattens @code{if} statements (@code{COND_EXPR})
285 and moves lexical bindings (@code{BIND_EXPR}) out of line.  After
286 this pass, all @code{if} statements will have exactly two @code{goto}
287 statements in its @code{then} and @code{else} arms.  Lexical binding
288 information for each statement will be found in @code{TREE_BLOCK} rather
289 than being inferred from its position under a @code{BIND_EXPR}.  This
290 pass is found in @file{gimple-low.c} and is described by
291 @code{pass_lower_cf}.
292
293 @item Lower exception handling control flow
294
295 This pass decomposes high-level exception handling constructs
296 (@code{TRY_FINALLY_EXPR} and @code{TRY_CATCH_EXPR}) into a form
297 that explicitly represents the control flow involved.  After this
298 pass, @code{lookup_stmt_eh_region} will return a non-negative
299 number for any statement that may have EH control flow semantics;
300 examine @code{tree_can_throw_internal} or @code{tree_can_throw_external}
301 for exact semantics.  Exact control flow may be extracted from
302 @code{foreach_reachable_handler}.  The EH region nesting tree is defined
303 in @file{except.h} and built in @file{except.c}.  The lowering pass
304 itself is in @file{tree-eh.c} and is described by @code{pass_lower_eh}.
305
306 @item Build the control flow graph
307
308 This pass decomposes a function into basic blocks and creates all of
309 the edges that connect them.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
310 is described by @code{pass_build_cfg}.
311
312 @item Find all referenced variables
313
314 This pass walks the entire function and collects an array of all
315 variables referenced in the function, @code{referenced_vars}.  The
316 index at which a variable is found in the array is used as a UID
317 for the variable within this function.  This data is needed by the
318 SSA rewriting routines.  The pass is located in @file{tree-dfa.c}
319 and is described by @code{pass_referenced_vars}.
320
321 @item Enter static single assignment form
322
323 This pass rewrites the function such that it is in SSA form.  After
324 this pass, all @code{is_gimple_reg} variables will be referenced by
325 @code{SSA_NAME}, and all occurrences of other variables will be
326 annotated with @code{VDEFS} and @code{VUSES}; PHI nodes will have
327 been inserted as necessary for each basic block.  This pass is
328 located in @file{tree-ssa.c} and is described by @code{pass_build_ssa}.
329
330 @item Warn for uninitialized variables
331
332 This pass scans the function for uses of @code{SSA_NAME}s that
333 are fed by default definition.  For non-parameter variables, such
334 uses are uninitialized.  The pass is run twice, before and after
335 optimization (if turned on).  In the first pass we only warn for uses that are
336 positively uninitialized; in the second pass we warn for uses that
337 are possibly uninitialized.  The pass is located in @file{tree-ssa.c}
338 and is defined by @code{pass_early_warn_uninitialized} and
339 @code{pass_late_warn_uninitialized}.
340
341 @item Dead code elimination
342
343 This pass scans the function for statements without side effects whose
344 result is unused.  It does not do memory life analysis, so any value
345 that is stored in memory is considered used.  The pass is run multiple
346 times throughout the optimization process.  It is located in
347 @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_dce}.
348
349 @item Dominator optimizations
350
351 This pass performs trivial dominator-based copy and constant propagation,
352 expression simplification, and jump threading.  It is run multiple times
353 throughout the optimization process.  It is located in @file{tree-ssa-dom.c}
354 and is described by @code{pass_dominator}.
355
356 @item Forward propagation of single-use variables
357
358 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
359 variables that are used once into the expression that uses them and
360 seeing if the result can be simplified.  It is located in
361 @file{tree-ssa-forwprop.c} and is described by @code{pass_forwprop}.
362
363 @item Copy Renaming
364
365 This pass attempts to change the name of compiler temporaries involved in
366 copy operations such that SSA->normal can coalesce the copy away.  When compiler
367 temporaries are copies of user variables, it also renames the compiler
368 temporary to the user variable resulting in better use of user symbols.  It is
369 located in @file{tree-ssa-copyrename.c} and is described by
370 @code{pass_copyrename}.
371
372 @item PHI node optimizations
373
374 This pass recognizes forms of PHI inputs that can be represented as
375 conditional expressions and rewrites them into straight line code.
376 It is located in @file{tree-ssa-phiopt.c} and is described by
377 @code{pass_phiopt}.
378
379 @item May-alias optimization
380
381 This pass performs a flow sensitive SSA-based points-to analysis.
382 The resulting may-alias, must-alias, and escape analysis information
383 is used to promote variables from in-memory addressable objects to
384 non-aliased variables that can be renamed into SSA form.  We also
385 update the @code{VDEF}/@code{VUSE} memory tags for non-renameable
386 aggregates so that we get fewer false kills.  The pass is located
387 in @file{tree-ssa-alias.c} and is described by @code{pass_may_alias}.
388
389 Interprocedural points-to information is located in
390 @file{tree-ssa-structalias.c} and described by @code{pass_ipa_pta}.
391
392 @item Profiling
393
394 This pass instruments the function in order to collect runtime block
395 and value profiling data.  Such data may be fed back into the compiler
396 on a subsequent run so as to allow optimization based on expected
397 execution frequencies.  The pass is located in @file{tree-profile.c} and
398 is described by @code{pass_ipa_tree_profile}.
399
400 @item Static profile estimation
401
402 This pass implements series of heuristics to guess propababilities
403 of branches.  The resulting predictions are turned into edge profile
404 by propagating branches across the control flow graphs.
405 The pass is located in @file{tree-profile.c} and is described by
406 @code{pass_profile}.
407
408 @item Lower complex arithmetic
409
410 This pass rewrites complex arithmetic operations into their component
411 scalar arithmetic operations.  The pass is located in @file{tree-complex.c}
412 and is described by @code{pass_lower_complex}.
413
414 @item Scalar replacement of aggregates
415
416 This pass rewrites suitable non-aliased local aggregate variables into
417 a set of scalar variables.  The resulting scalar variables are
418 rewritten into SSA form, which allows subsequent optimization passes
419 to do a significantly better job with them.  The pass is located in
420 @file{tree-sra.c} and is described by @code{pass_sra}.
421
422 @item Dead store elimination
423
424 This pass eliminates stores to memory that are subsequently overwritten
425 by another store, without any intervening loads.  The pass is located
426 in @file{tree-ssa-dse.c} and is described by @code{pass_dse}.
427
428 @item Tail recursion elimination
429
430 This pass transforms tail recursion into a loop.  It is located in
431 @file{tree-tailcall.c} and is described by @code{pass_tail_recursion}.
432
433 @item Forward store motion
434
435 This pass sinks stores and assignments down the flowgraph closer to their
436 use point.  The pass is located in @file{tree-ssa-sink.c} and is
437 described by @code{pass_sink_code}.
438
439 @item Partial redundancy elimination
440
441 This pass eliminates partially redundant computations, as well as
442 performing load motion.  The pass is located in @file{tree-ssa-pre.c}
443 and is described by @code{pass_pre}.
444
445 Just before partial redundancy elimination, if
446 @option{-funsafe-math-optimizations} is on, GCC tries to convert
447 divisions to multiplications by the reciprocal.  The pass is located
448 in @file{tree-ssa-math-opts.c} and is described by
449 @code{pass_cse_reciprocal}.
450
451 @item Full redundancy elimination
452
453 This is a simpler form of PRE that only eliminates redundancies that
454 occur on all paths.  It is located in @file{tree-ssa-pre.c} and
455 described by @code{pass_fre}.
456
457 @item Loop optimization
458
459 The main driver of the pass is placed in @file{tree-ssa-loop.c}
460 and described by @code{pass_loop}.
461
462 The optimizations performed by this pass are:
463
464 Loop invariant motion.  This pass moves only invariants that
465 would be hard to handle on RTL level (function calls, operations that expand to
466 nontrivial sequences of insns).  With @option{-funswitch-loops} it also moves
467 operands of conditions that are invariant out of the loop, so that we can use
468 just trivial invariantness analysis in loop unswitching.  The pass also includes
469 store motion.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-im.c}.
470
471 Canonical induction variable creation.  This pass creates a simple counter
472 for number of iterations of the loop and replaces the exit condition of the
473 loop using it, in case when a complicated analysis is necessary to determine
474 the number of iterations.  Later optimizations then may determine the number
475 easily.  The pass is implemented in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c}.
476
477 Induction variable optimizations.  This pass performs standard induction
478 variable optimizations, including strength reduction, induction variable
479 merging and induction variable elimination.  The pass is implemented in
480 @file{tree-ssa-loop-ivopts.c}.
481
482 Loop unswitching.  This pass moves the conditional jumps that are invariant
483 out of the loops.  To achieve this, a duplicate of the loop is created for
484 each possible outcome of conditional jump(s).  The pass is implemented in
485 @file{tree-ssa-loop-unswitch.c}.
486
487 The optimizations also use various utility functions contained in
488 @file{tree-ssa-loop-manip.c}, @file{cfgloop.c}, @file{cfgloopanal.c} and
489 @file{cfgloopmanip.c}.
490
491 Vectorization.  This pass transforms loops to operate on vector types
492 instead of scalar types.  Data parallelism across loop iterations is exploited
493 to group data elements from consecutive iterations into a vector and operate
494 on them in parallel.  Depending on available target support the loop is
495 conceptually unrolled by a factor @code{VF} (vectorization factor), which is
496 the number of elements operated upon in parallel in each iteration, and the
497 @code{VF} copies of each scalar operation are fused to form a vector operation.
498 Additional loop transformations such as peeling and versioning may take place
499 to align the number of iterations, and to align the memory accesses in the
500 loop.
501 The pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
502 @file{tree-vect-loop.c} and @file{tree-vect-loop-manip.c} (loop specific parts
503 and general loop utilities), @file{tree-vect-slp} (loop-aware SLP
504 functionality), @file{tree-vect-stmts.c} and @file{tree-vect-data-refs.c}.
505 Analysis of data references is in @file{tree-data-ref.c}.
506
507 SLP Vectorization.  This pass performs vectorization of straight-line code. The
508 pass is implemented in @file{tree-vectorizer.c} (the main driver),
509 @file{tree-vect-slp.c}, @file{tree-vect-stmts.c} and
510 @file{tree-vect-data-refs.c}.
511
512 Autoparallelization.  This pass splits the loop iteration space to run
513 into several threads.  The pass is implemented in @file{tree-parloops.c}.
514
515 Graphite is a loop transformation framework based on the polyhedral
516 model.  Graphite stands for Gimple Represented as Polyhedra.  The
517 internals of this infrastructure are documented in
518 @w{@uref{http://gcc.gnu.org/wiki/Graphite}}.  The passes working on
519 this representation are implemented in the various @file{graphite-*}
520 files.
521
522 @item Tree level if-conversion for vectorizer
523
524 This pass applies if-conversion to simple loops to help vectorizer.
525 We identify if convertible loops, if-convert statements and merge
526 basic blocks in one big block.  The idea is to present loop in such
527 form so that vectorizer can have one to one mapping between statements
528 and available vector operations.  This pass is located in
529 @file{tree-if-conv.c} and is described by @code{pass_if_conversion}.
530
531 @item Conditional constant propagation
532
533 This pass relaxes a lattice of values in order to identify those
534 that must be constant even in the presence of conditional branches.
535 The pass is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and is described
536 by @code{pass_ccp}.
537
538 A related pass that works on memory loads and stores, and not just
539 register values, is located in @file{tree-ssa-ccp.c} and described by
540 @code{pass_store_ccp}.
541
542 @item Conditional copy propagation
543
544 This is similar to constant propagation but the lattice of values is
545 the ``copy-of'' relation.  It eliminates redundant copies from the
546 code.  The pass is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
547 @code{pass_copy_prop}.
548
549 A related pass that works on memory copies, and not just register
550 copies, is located in @file{tree-ssa-copy.c} and described by
551 @code{pass_store_copy_prop}.
552
553 @item Value range propagation
554
555 This transformation is similar to constant propagation but
556 instead of propagating single constant values, it propagates
557 known value ranges.  The implementation is based on Patterson's
558 range propagation algorithm (Accurate Static Branch Prediction by
559 Value Range Propagation, J. R. C. Patterson, PLDI '95).  In
560 contrast to Patterson's algorithm, this implementation does not
561 propagate branch probabilities nor it uses more than a single
562 range per SSA name. This means that the current implementation
563 cannot be used for branch prediction (though adapting it would
564 not be difficult).  The pass is located in @file{tree-vrp.c} and is
565 described by @code{pass_vrp}.
566
567 @item Folding built-in functions
568
569 This pass simplifies built-in functions, as applicable, with constant
570 arguments or with inferable string lengths.  It is located in
571 @file{tree-ssa-ccp.c} and is described by @code{pass_fold_builtins}.
572
573 @item Split critical edges
574
575 This pass identifies critical edges and inserts empty basic blocks
576 such that the edge is no longer critical.  The pass is located in
577 @file{tree-cfg.c} and is described by @code{pass_split_crit_edges}.
578
579 @item Control dependence dead code elimination
580
581 This pass is a stronger form of dead code elimination that can
582 eliminate unnecessary control flow statements.   It is located
583 in @file{tree-ssa-dce.c} and is described by @code{pass_cd_dce}.
584
585 @item Tail call elimination
586
587 This pass identifies function calls that may be rewritten into
588 jumps.  No code transformation is actually applied here, but the
589 data and control flow problem is solved.  The code transformation
590 requires target support, and so is delayed until RTL@.  In the
591 meantime @code{CALL_EXPR_TAILCALL} is set indicating the possibility.
592 The pass is located in @file{tree-tailcall.c} and is described by
593 @code{pass_tail_calls}.  The RTL transformation is handled by
594 @code{fixup_tail_calls} in @file{calls.c}.
595
596 @item Warn for function return without value
597
598 For non-void functions, this pass locates return statements that do
599 not specify a value and issues a warning.  Such a statement may have
600 been injected by falling off the end of the function.  This pass is
601 run last so that we have as much time as possible to prove that the
602 statement is not reachable.  It is located in @file{tree-cfg.c} and
603 is described by @code{pass_warn_function_return}.
604
605 @item Leave static single assignment form
606
607 This pass rewrites the function such that it is in normal form.  At
608 the same time, we eliminate as many single-use temporaries as possible,
609 so the intermediate language is no longer GIMPLE, but GENERIC@.  The
610 pass is located in @file{tree-outof-ssa.c} and is described by
611 @code{pass_del_ssa}.
612
613 @item Merge PHI nodes that feed into one another
614
615 This is part of the CFG cleanup passes.  It attempts to join PHI nodes
616 from a forwarder CFG block into another block with PHI nodes.  The
617 pass is located in @file{tree-cfgcleanup.c} and is described by
618 @code{pass_merge_phi}.
619
620 @item Return value optimization
621
622 If a function always returns the same local variable, and that local
623 variable is an aggregate type, then the variable is replaced with the
624 return value for the function (i.e., the function's DECL_RESULT).  This
625 is equivalent to the C++ named return value optimization applied to
626 GIMPLE@.  The pass is located in @file{tree-nrv.c} and is described by
627 @code{pass_nrv}.
628
629 @item Return slot optimization
630
631 If a function returns a memory object and is called as @code{var =
632 foo()}, this pass tries to change the call so that the address of
633 @code{var} is sent to the caller to avoid an extra memory copy.  This
634 pass is located in @code{tree-nrv.c} and is described by
635 @code{pass_return_slot}.
636
637 @item Optimize calls to @code{__builtin_object_size}
638
639 This is a propagation pass similar to CCP that tries to remove calls
640 to @code{__builtin_object_size} when the size of the object can be
641 computed at compile-time.  This pass is located in
642 @file{tree-object-size.c} and is described by
643 @code{pass_object_sizes}.
644
645 @item Loop invariant motion
646
647 This pass removes expensive loop-invariant computations out of loops.
648 The pass is located in @file{tree-ssa-loop.c} and described by
649 @code{pass_lim}.
650
651 @item Loop nest optimizations
652
653 This is a family of loop transformations that works on loop nests.  It
654 includes loop interchange, scaling, skewing and reversal and they are
655 all geared to the optimization of data locality in array traversals
656 and the removal of dependencies that hamper optimizations such as loop
657 parallelization and vectorization.  The pass is located in
658 @file{tree-loop-linear.c} and described by
659 @code{pass_linear_transform}.
660
661 @item Removal of empty loops
662
663 This pass removes loops with no code in them.  The pass is located in
664 @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
665 @code{pass_empty_loop}.
666
667 @item Unrolling of small loops
668
669 This pass completely unrolls loops with few iterations.  The pass
670 is located in @file{tree-ssa-loop-ivcanon.c} and described by
671 @code{pass_complete_unroll}.
672
673 @item Predictive commoning
674
675 This pass makes the code reuse the computations from the previous
676 iterations of the loops, especially loads and stores to memory.
677 It does so by storing the values of these computations to a bank
678 of temporary variables that are rotated at the end of loop.  To avoid
679 the need for this rotation, the loop is then unrolled and the copies
680 of the loop body are rewritten to use the appropriate version of
681 the temporary variable.  This pass is located in @file{tree-predcom.c}
682 and described by @code{pass_predcom}.
683
684 @item Array prefetching
685
686 This pass issues prefetch instructions for array references inside
687 loops.  The pass is located in @file{tree-ssa-loop-prefetch.c} and
688 described by @code{pass_loop_prefetch}.
689
690 @item Reassociation
691
692 This pass rewrites arithmetic expressions to enable optimizations that
693 operate on them, like redundancy elimination and vectorization.  The
694 pass is located in @file{tree-ssa-reassoc.c} and described by
695 @code{pass_reassoc}.
696
697 @item Optimization of @code{stdarg} functions
698
699 This pass tries to avoid the saving of register arguments into the
700 stack on entry to @code{stdarg} functions.  If the function doesn't
701 use any @code{va_start} macros, no registers need to be saved.  If
702 @code{va_start} macros are used, the @code{va_list} variables don't
703 escape the function, it is only necessary to save registers that will
704 be used in @code{va_arg} macros.  For instance, if @code{va_arg} is
705 only used with integral types in the function, floating point
706 registers don't need to be saved.  This pass is located in
707 @code{tree-stdarg.c} and described by @code{pass_stdarg}.
708
709 @end itemize
710
711 @node RTL passes
712 @section RTL passes
713
714 The following briefly describes the RTL generation and optimization
715 passes that are run after the Tree optimization passes.
716
717 @itemize @bullet
718 @item RTL generation
719
720 @c Avoiding overfull is tricky here.
721 The source files for RTL generation include
722 @file{stmt.c},
723 @file{calls.c},
724 @file{expr.c},
725 @file{explow.c},
726 @file{expmed.c},
727 @file{function.c},
728 @file{optabs.c}
729 and @file{emit-rtl.c}.
730 Also, the file
731 @file{insn-emit.c}, generated from the machine description by the
732 program @code{genemit}, is used in this pass.  The header file
733 @file{expr.h} is used for communication within this pass.
734
735 @findex genflags
736 @findex gencodes
737 The header files @file{insn-flags.h} and @file{insn-codes.h},
738 generated from the machine description by the programs @code{genflags}
739 and @code{gencodes}, tell this pass which standard names are available
740 for use and which patterns correspond to them.
741
742 @item Generation of exception landing pads
743
744 This pass generates the glue that handles communication between the
745 exception handling library routines and the exception handlers within
746 the function.  Entry points in the function that are invoked by the
747 exception handling library are called @dfn{landing pads}.  The code
748 for this pass is located in @file{except.c}.
749
750 @item Control flow graph cleanup
751
752 This pass removes unreachable code, simplifies jumps to next, jumps to
753 jump, jumps across jumps, etc.  The pass is run multiple times.
754 For historical reasons, it is occasionally referred to as the ``jump
755 optimization pass''.  The bulk of the code for this pass is in
756 @file{cfgcleanup.c}, and there are support routines in @file{cfgrtl.c}
757 and @file{jump.c}.
758
759 @item Forward propagation of single-def values
760
761 This pass attempts to remove redundant computation by substituting
762 variables that come from a single definition, and
763 seeing if the result can be simplified.  It performs copy propagation
764 and addressing mode selection.  The pass is run twice, with values
765 being propagated into loops only on the second run.  The code is
766 located in @file{fwprop.c}.
767
768 @item Common subexpression elimination
769
770 This pass removes redundant computation within basic blocks, and
771 optimizes addressing modes based on cost.  The pass is run twice.
772 The code for this pass is located in @file{cse.c}.
773
774 @item Global common subexpression elimination
775
776 This pass performs two
777 different types of GCSE  depending on whether you are optimizing for
778 size or not (LCM based GCSE tends to increase code size for a gain in
779 speed, while Morel-Renvoise based GCSE does not).
780 When optimizing for size, GCSE is done using Morel-Renvoise Partial
781 Redundancy Elimination, with the exception that it does not try to move
782 invariants out of loops---that is left to  the loop optimization pass.
783 If MR PRE GCSE is done, code hoisting (aka unification) is also done, as
784 well as load motion.
785 If you are optimizing for speed, LCM (lazy code motion) based GCSE is
786 done.  LCM is based on the work of Knoop, Ruthing, and Steffen.  LCM
787 based GCSE also does loop invariant code motion.  We also perform load
788 and store motion when optimizing for speed.
789 Regardless of which type of GCSE is used, the GCSE pass also performs
790 global constant and  copy propagation.
791 The source file for this pass is @file{gcse.c}, and the LCM routines
792 are in @file{lcm.c}.
793
794 @item Loop optimization
795
796 This pass performs several loop related optimizations.
797 The source files @file{cfgloopanal.c} and @file{cfgloopmanip.c} contain
798 generic loop analysis and manipulation code.  Initialization and finalization
799 of loop structures is handled by @file{loop-init.c}.
800 A loop invariant motion pass is implemented in @file{loop-invariant.c}.
801 Basic block level optimizations---unrolling, and peeling loops---
802 are implemented in @file{loop-unroll.c}.
803 Replacing of the exit condition of loops by special machine-dependent
804 instructions is handled by @file{loop-doloop.c}.
805
806 @item Jump bypassing
807
808 This pass is an aggressive form of GCSE that transforms the control
809 flow graph of a function by propagating constants into conditional
810 branch instructions.  The source file for this pass is @file{gcse.c}.
811
812 @item If conversion
813
814 This pass attempts to replace conditional branches and surrounding
815 assignments with arithmetic, boolean value producing comparison
816 instructions, and conditional move instructions.  In the very last
817 invocation after reload/LRA, it will generate predicated instructions
818 when supported by the target.  The code is located in @file{ifcvt.c}.
819
820 @item Web construction
821
822 This pass splits independent uses of each pseudo-register.  This can
823 improve effect of the other transformation, such as CSE or register
824 allocation.  The code for this pass is located in @file{web.c}.
825
826 @item Instruction combination
827
828 This pass attempts to combine groups of two or three instructions that
829 are related by data flow into single instructions.  It combines the
830 RTL expressions for the instructions by substitution, simplifies the
831 result using algebra, and then attempts to match the result against
832 the machine description.  The code is located in @file{combine.c}.
833
834 @item Mode switching optimization
835
836 This pass looks for instructions that require the processor to be in a
837 specific ``mode'' and minimizes the number of mode changes required to
838 satisfy all users.  What these modes are, and what they apply to are
839 completely target-specific.  The code for this pass is located in
840 @file{mode-switching.c}.
841
842 @cindex modulo scheduling
843 @cindex sms, swing, software pipelining
844 @item Modulo scheduling
845
846 This pass looks at innermost loops and reorders their instructions
847 by overlapping different iterations.  Modulo scheduling is performed
848 immediately before instruction scheduling.  The code for this pass is
849 located in @file{modulo-sched.c}.
850
851 @item Instruction scheduling
852
853 This pass looks for instructions whose output will not be available by
854 the time that it is used in subsequent instructions.  Memory loads and
855 floating point instructions often have this behavior on RISC machines.
856 It re-orders instructions within a basic block to try to separate the
857 definition and use of items that otherwise would cause pipeline
858 stalls.  This pass is performed twice, before and after register
859 allocation.  The code for this pass is located in @file{haifa-sched.c},
860 @file{sched-deps.c}, @file{sched-ebb.c}, @file{sched-rgn.c} and
861 @file{sched-vis.c}.
862
863 @item Register allocation
864
865 These passes make sure that all occurrences of pseudo registers are
866 eliminated, either by allocating them to a hard register, replacing
867 them by an equivalent expression (e.g.@: a constant) or by placing
868 them on the stack.  This is done in several subpasses:
869
870 @itemize @bullet
871 @item
872 The integrated register allocator (@acronym{IRA}).  It is called
873 integrated because coalescing, register live range splitting, and hard
874 register preferencing are done on-the-fly during coloring.  It also
875 has better integration with the reload/LRA pass.  Pseudo-registers spilled
876 by the allocator or the reload/LRA have still a chance to get
877 hard-registers if the reload/LRA evicts some pseudo-registers from
878 hard-registers.  The allocator helps to choose better pseudos for
879 spilling based on their live ranges and to coalesce stack slots
880 allocated for the spilled pseudo-registers.  IRA is a regional
881 register allocator which is transformed into Chaitin-Briggs allocator
882 if there is one region.  By default, IRA chooses regions using
883 register pressure but the user can force it to use one region or
884 regions corresponding to all loops.
885
886 Source files of the allocator are @file{ira.c}, @file{ira-build.c},
887 @file{ira-costs.c}, @file{ira-conflicts.c}, @file{ira-color.c},
888 @file{ira-emit.c}, @file{ira-lives}, plus header files @file{ira.h}
889 and @file{ira-int.h} used for the communication between the allocator
890 and the rest of the compiler and between the IRA files.
891
892 @cindex reloading
893 @item
894 Reloading.  This pass renumbers pseudo registers with the hardware
895 registers numbers they were allocated.  Pseudo registers that did not
896 get hard registers are replaced with stack slots.  Then it finds
897 instructions that are invalid because a value has failed to end up in
898 a register, or has ended up in a register of the wrong kind.  It fixes
899 up these instructions by reloading the problematical values
900 temporarily into registers.  Additional instructions are generated to
901 do the copying.
902
903 The reload pass also optionally eliminates the frame pointer and inserts
904 instructions to save and restore call-clobbered registers around calls.
905
906 Source files are @file{reload.c} and @file{reload1.c}, plus the header
907 @file{reload.h} used for communication between them.
908
909 @cindex Local Register Allocator (LRA)
910 @item
911 This pass is a modern replacement of the reload pass.  Source files
912 are @file{lra.c}, @file{lra-assign.c}, @file{lra-coalesce.c},
913 @file{lra-constraints.c}, @file{lra-eliminations.c},
914 @file{lra-lives.c}, @file{lra-remat.c}, @file{lra-spills.c}, the
915 header @file{lra-int.h} used for communication between them, and the
916 header @file{lra.h} used for communication between LRA and the rest of
917 compiler.
918
919 Unlike the reload pass, intermediate LRA decisions are reflected in
920 RTL as much as possible.  This reduces the number of target-dependent
921 macros and hooks, leaving instruction constraints as the primary
922 source of control.
923
924 LRA is run on targets for which TARGET_LRA_P returns true.
925 @end itemize
926
927 @item Basic block reordering
928
929 This pass implements profile guided code positioning.  If profile
930 information is not available, various types of static analysis are
931 performed to make the predictions normally coming from the profile
932 feedback (IE execution frequency, branch probability, etc).  It is
933 implemented in the file @file{bb-reorder.c}, and the various
934 prediction routines are in @file{predict.c}.
935
936 @item Variable tracking
937
938 This pass computes where the variables are stored at each
939 position in code and generates notes describing the variable locations
940 to RTL code.  The location lists are then generated according to these
941 notes to debug information if the debugging information format supports
942 location lists.  The code is located in @file{var-tracking.c}.
943
944 @item Delayed branch scheduling
945
946 This optional pass attempts to find instructions that can go into the
947 delay slots of other instructions, usually jumps and calls.  The code
948 for this pass is located in @file{reorg.c}.
949
950 @item Branch shortening
951
952 On many RISC machines, branch instructions have a limited range.
953 Thus, longer sequences of instructions must be used for long branches.
954 In this pass, the compiler figures out what how far each instruction
955 will be from each other instruction, and therefore whether the usual
956 instructions, or the longer sequences, must be used for each branch.
957 The code for this pass is located in @file{final.c}.
958
959 @item Register-to-stack conversion
960
961 Conversion from usage of some hard registers to usage of a register
962 stack may be done at this point.  Currently, this is supported only
963 for the floating-point registers of the Intel 80387 coprocessor.  The
964 code for this pass is located in @file{reg-stack.c}.
965
966 @item Final
967
968 This pass outputs the assembler code for the function.  The source files
969 are @file{final.c} plus @file{insn-output.c}; the latter is generated
970 automatically from the machine description by the tool @file{genoutput}.
971 The header file @file{conditions.h} is used for communication between
972 these files.
973
974 @item Debugging information output
975
976 This is run after final because it must output the stack slot offsets
977 for pseudo registers that did not get hard registers.  Source files
978 are @file{dbxout.c} for DBX symbol table format, @file{sdbout.c} for
979 SDB symbol table format, @file{dwarfout.c} for DWARF symbol table
980 format, files @file{dwarf2out.c} and @file{dwarf2asm.c} for DWARF2
981 symbol table format, and @file{vmsdbgout.c} for VMS debug symbol table
982 format.
983
984 @end itemize
985
986 @node Optimization info
987 @section Optimization info
988 @include optinfo.texi