]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_monomorphize/src/partitioning/mod.rs
Rollup merge of #100730 - CleanCut:diagnostics-rustc_monomorphize, r=davidtwco
[rust.git] / compiler / rustc_monomorphize / src / partitioning / mod.rs
1 //! Partitioning Codegen Units for Incremental Compilation
2 //! ======================================================
3 //!
4 //! The task of this module is to take the complete set of monomorphizations of
5 //! a crate and produce a set of codegen units from it, where a codegen unit
6 //! is a named set of (mono-item, linkage) pairs. That is, this module
7 //! decides which monomorphization appears in which codegen units with which
8 //! linkage. The following paragraphs describe some of the background on the
9 //! partitioning scheme.
10 //!
11 //! The most important opportunity for saving on compilation time with
12 //! incremental compilation is to avoid re-codegenning and re-optimizing code.
13 //! Since the unit of codegen and optimization for LLVM is "modules" or, how
14 //! we call them "codegen units", the particulars of how much time can be saved
15 //! by incremental compilation are tightly linked to how the output program is
16 //! partitioned into these codegen units prior to passing it to LLVM --
17 //! especially because we have to treat codegen units as opaque entities once
18 //! they are created: There is no way for us to incrementally update an existing
19 //! LLVM module and so we have to build any such module from scratch if it was
20 //! affected by some change in the source code.
21 //!
22 //! From that point of view it would make sense to maximize the number of
23 //! codegen units by, for example, putting each function into its own module.
24 //! That way only those modules would have to be re-compiled that were actually
25 //! affected by some change, minimizing the number of functions that could have
26 //! been re-used but just happened to be located in a module that is
27 //! re-compiled.
28 //!
29 //! However, since LLVM optimization does not work across module boundaries,
30 //! using such a highly granular partitioning would lead to very slow runtime
31 //! code since it would effectively prohibit inlining and other inter-procedure
32 //! optimizations. We want to avoid that as much as possible.
33 //!
34 //! Thus we end up with a trade-off: The bigger the codegen units, the better
35 //! LLVM's optimizer can do its work, but also the smaller the compilation time
36 //! reduction we get from incremental compilation.
37 //!
38 //! Ideally, we would create a partitioning such that there are few big codegen
39 //! units with few interdependencies between them. For now though, we use the
40 //! following heuristic to determine the partitioning:
41 //!
42 //! - There are two codegen units for every source-level module:
43 //! - One for "stable", that is non-generic, code
44 //! - One for more "volatile" code, i.e., monomorphized instances of functions
45 //!   defined in that module
46 //!
47 //! In order to see why this heuristic makes sense, let's take a look at when a
48 //! codegen unit can get invalidated:
49 //!
50 //! 1. The most straightforward case is when the BODY of a function or global
51 //! changes. Then any codegen unit containing the code for that item has to be
52 //! re-compiled. Note that this includes all codegen units where the function
53 //! has been inlined.
54 //!
55 //! 2. The next case is when the SIGNATURE of a function or global changes. In
56 //! this case, all codegen units containing a REFERENCE to that item have to be
57 //! re-compiled. This is a superset of case 1.
58 //!
59 //! 3. The final and most subtle case is when a REFERENCE to a generic function
60 //! is added or removed somewhere. Even though the definition of the function
61 //! might be unchanged, a new REFERENCE might introduce a new monomorphized
62 //! instance of this function which has to be placed and compiled somewhere.
63 //! Conversely, when removing a REFERENCE, it might have been the last one with
64 //! that particular set of generic arguments and thus we have to remove it.
65 //!
66 //! From the above we see that just using one codegen unit per source-level
67 //! module is not such a good idea, since just adding a REFERENCE to some
68 //! generic item somewhere else would invalidate everything within the module
69 //! containing the generic item. The heuristic above reduces this detrimental
70 //! side-effect of references a little by at least not touching the non-generic
71 //! code of the module.
72 //!
73 //! A Note on Inlining
74 //! ------------------
75 //! As briefly mentioned above, in order for LLVM to be able to inline a
76 //! function call, the body of the function has to be available in the LLVM
77 //! module where the call is made. This has a few consequences for partitioning:
78 //!
79 //! - The partitioning algorithm has to take care of placing functions into all
80 //!   codegen units where they should be available for inlining. It also has to
81 //!   decide on the correct linkage for these functions.
82 //!
83 //! - The partitioning algorithm has to know which functions are likely to get
84 //!   inlined, so it can distribute function instantiations accordingly. Since
85 //!   there is no way of knowing for sure which functions LLVM will decide to
86 //!   inline in the end, we apply a heuristic here: Only functions marked with
87 //!   `#[inline]` are considered for inlining by the partitioner. The current
88 //!   implementation will not try to determine if a function is likely to be
89 //!   inlined by looking at the functions definition.
90 //!
91 //! Note though that as a side-effect of creating a codegen units per
92 //! source-level module, functions from the same module will be available for
93 //! inlining, even when they are not marked `#[inline]`.
94
95 mod default;
96 mod merging;
97
98 use rustc_data_structures::fx::{FxHashMap, FxHashSet};
99 use rustc_data_structures::sync;
100 use rustc_hir::def_id::DefIdSet;
101 use rustc_middle::mir;
102 use rustc_middle::mir::mono::MonoItem;
103 use rustc_middle::mir::mono::{CodegenUnit, Linkage};
104 use rustc_middle::ty::print::with_no_trimmed_paths;
105 use rustc_middle::ty::query::Providers;
106 use rustc_middle::ty::TyCtxt;
107 use rustc_span::symbol::Symbol;
108
109 use crate::collector::InliningMap;
110 use crate::collector::{self, MonoItemCollectionMode};
111 use crate::errors::{SymbolAlreadyDefined, UnknownPartitionStrategy};
112
113 pub struct PartitioningCx<'a, 'tcx> {
114     tcx: TyCtxt<'tcx>,
115     target_cgu_count: usize,
116     inlining_map: &'a InliningMap<'tcx>,
117 }
118
119 trait Partitioner<'tcx> {
120     fn place_root_mono_items(
121         &mut self,
122         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
123         mono_items: &mut dyn Iterator<Item = MonoItem<'tcx>>,
124     ) -> PreInliningPartitioning<'tcx>;
125
126     fn merge_codegen_units(
127         &mut self,
128         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
129         initial_partitioning: &mut PreInliningPartitioning<'tcx>,
130     );
131
132     fn place_inlined_mono_items(
133         &mut self,
134         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
135         initial_partitioning: PreInliningPartitioning<'tcx>,
136     ) -> PostInliningPartitioning<'tcx>;
137
138     fn internalize_symbols(
139         &mut self,
140         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
141         partitioning: &mut PostInliningPartitioning<'tcx>,
142     );
143 }
144
145 fn get_partitioner<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>) -> Box<dyn Partitioner<'tcx>> {
146     let strategy = match &tcx.sess.opts.unstable_opts.cgu_partitioning_strategy {
147         None => "default",
148         Some(s) => &s[..],
149     };
150
151     match strategy {
152         "default" => Box::new(default::DefaultPartitioning),
153         _ => {
154             tcx.sess.emit_fatal(UnknownPartitionStrategy);
155         }
156     }
157 }
158
159 pub fn partition<'tcx>(
160     tcx: TyCtxt<'tcx>,
161     mono_items: &mut dyn Iterator<Item = MonoItem<'tcx>>,
162     max_cgu_count: usize,
163     inlining_map: &InliningMap<'tcx>,
164 ) -> Vec<CodegenUnit<'tcx>> {
165     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning");
166
167     let mut partitioner = get_partitioner(tcx);
168     let cx = &PartitioningCx { tcx, target_cgu_count: max_cgu_count, inlining_map };
169     // In the first step, we place all regular monomorphizations into their
170     // respective 'home' codegen unit. Regular monomorphizations are all
171     // functions and statics defined in the local crate.
172     let mut initial_partitioning = {
173         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_roots");
174         partitioner.place_root_mono_items(cx, mono_items)
175     };
176
177     initial_partitioning.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
178
179     debug_dump(tcx, "INITIAL PARTITIONING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
180
181     // Merge until we have at most `max_cgu_count` codegen units.
182     {
183         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_merge_cgus");
184         partitioner.merge_codegen_units(cx, &mut initial_partitioning);
185         debug_dump(tcx, "POST MERGING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
186     }
187
188     // In the next step, we use the inlining map to determine which additional
189     // monomorphizations have to go into each codegen unit. These additional
190     // monomorphizations can be drop-glue, functions from external crates, and
191     // local functions the definition of which is marked with `#[inline]`.
192     let mut post_inlining = {
193         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_inline_items");
194         partitioner.place_inlined_mono_items(cx, initial_partitioning)
195     };
196
197     post_inlining.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
198
199     debug_dump(tcx, "POST INLINING:", post_inlining.codegen_units.iter());
200
201     // Next we try to make as many symbols "internal" as possible, so LLVM has
202     // more freedom to optimize.
203     if !tcx.sess.link_dead_code() {
204         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_internalize_symbols");
205         partitioner.internalize_symbols(cx, &mut post_inlining);
206     }
207
208     let instrument_dead_code =
209         tcx.sess.instrument_coverage() && !tcx.sess.instrument_coverage_except_unused_functions();
210
211     if instrument_dead_code {
212         assert!(
213             post_inlining.codegen_units.len() > 0,
214             "There must be at least one CGU that code coverage data can be generated in."
215         );
216
217         // Find the smallest CGU that has exported symbols and put the dead
218         // function stubs in that CGU. We look for exported symbols to increase
219         // the likelihood the linker won't throw away the dead functions.
220         // FIXME(#92165): In order to truly resolve this, we need to make sure
221         // the object file (CGU) containing the dead function stubs is included
222         // in the final binary. This will probably require forcing these
223         // function symbols to be included via `-u` or `/include` linker args.
224         let mut cgus: Vec<_> = post_inlining.codegen_units.iter_mut().collect();
225         cgus.sort_by_key(|cgu| cgu.size_estimate());
226
227         let dead_code_cgu =
228             if let Some(cgu) = cgus.into_iter().rev().find(|cgu| {
229                 cgu.items().iter().any(|(_, (linkage, _))| *linkage == Linkage::External)
230             }) {
231                 cgu
232             } else {
233                 // If there are no CGUs that have externally linked items,
234                 // then we just pick the first CGU as a fallback.
235                 &mut post_inlining.codegen_units[0]
236             };
237         dead_code_cgu.make_code_coverage_dead_code_cgu();
238     }
239
240     // Finally, sort by codegen unit name, so that we get deterministic results.
241     let PostInliningPartitioning {
242         codegen_units: mut result,
243         mono_item_placements: _,
244         internalization_candidates: _,
245     } = post_inlining;
246
247     result.sort_by(|a, b| a.name().as_str().partial_cmp(b.name().as_str()).unwrap());
248
249     result
250 }
251
252 pub struct PreInliningPartitioning<'tcx> {
253     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
254     roots: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
255     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
256 }
257
258 /// For symbol internalization, we need to know whether a symbol/mono-item is
259 /// accessed from outside the codegen unit it is defined in. This type is used
260 /// to keep track of that.
261 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
262 enum MonoItemPlacement {
263     SingleCgu { cgu_name: Symbol },
264     MultipleCgus,
265 }
266
267 struct PostInliningPartitioning<'tcx> {
268     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
269     mono_item_placements: FxHashMap<MonoItem<'tcx>, MonoItemPlacement>,
270     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
271 }
272
273 fn debug_dump<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, label: &str, cgus: I)
274 where
275     I: Iterator<Item = &'a CodegenUnit<'tcx>>,
276     'tcx: 'a,
277 {
278     let dump = move || {
279         use std::fmt::Write;
280
281         let s = &mut String::new();
282         let _ = writeln!(s, "{}", label);
283         for cgu in cgus {
284             let _ =
285                 writeln!(s, "CodegenUnit {} estimated size {} :", cgu.name(), cgu.size_estimate());
286
287             for (mono_item, linkage) in cgu.items() {
288                 let symbol_name = mono_item.symbol_name(tcx).name;
289                 let symbol_hash_start = symbol_name.rfind('h');
290                 let symbol_hash = symbol_hash_start.map_or("<no hash>", |i| &symbol_name[i..]);
291
292                 let _ = writeln!(
293                     s,
294                     " - {} [{:?}] [{}] estimated size {}",
295                     mono_item,
296                     linkage,
297                     symbol_hash,
298                     mono_item.size_estimate(tcx)
299                 );
300             }
301
302             let _ = writeln!(s, "");
303         }
304
305         std::mem::take(s)
306     };
307
308     debug!("{}", dump());
309 }
310
311 #[inline(never)] // give this a place in the profiler
312 fn assert_symbols_are_distinct<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, mono_items: I)
313 where
314     I: Iterator<Item = &'a MonoItem<'tcx>>,
315     'tcx: 'a,
316 {
317     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("assert_symbols_are_distinct");
318
319     let mut symbols: Vec<_> =
320         mono_items.map(|mono_item| (mono_item, mono_item.symbol_name(tcx))).collect();
321
322     symbols.sort_by_key(|sym| sym.1);
323
324     for &[(mono_item1, ref sym1), (mono_item2, ref sym2)] in symbols.array_windows() {
325         if sym1 == sym2 {
326             let span1 = mono_item1.local_span(tcx);
327             let span2 = mono_item2.local_span(tcx);
328
329             // Deterministically select one of the spans for error reporting
330             let span = match (span1, span2) {
331                 (Some(span1), Some(span2)) => {
332                     Some(if span1.lo().0 > span2.lo().0 { span1 } else { span2 })
333                 }
334                 (span1, span2) => span1.or(span2),
335             };
336
337             tcx.sess.emit_fatal(SymbolAlreadyDefined { span, symbol: sym1.to_string() });
338         }
339     }
340 }
341
342 fn collect_and_partition_mono_items<'tcx>(
343     tcx: TyCtxt<'tcx>,
344     (): (),
345 ) -> (&'tcx DefIdSet, &'tcx [CodegenUnit<'tcx>]) {
346     let collection_mode = match tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items {
347         Some(ref s) => {
348             let mode_string = s.to_lowercase();
349             let mode_string = mode_string.trim();
350             if mode_string == "eager" {
351                 MonoItemCollectionMode::Eager
352             } else {
353                 if mode_string != "lazy" {
354                     let message = format!(
355                         "Unknown codegen-item collection mode '{}'. \
356                                            Falling back to 'lazy' mode.",
357                         mode_string
358                     );
359                     tcx.sess.warn(&message);
360                 }
361
362                 MonoItemCollectionMode::Lazy
363             }
364         }
365         None => {
366             if tcx.sess.link_dead_code() {
367                 MonoItemCollectionMode::Eager
368             } else {
369                 MonoItemCollectionMode::Lazy
370             }
371         }
372     };
373
374     let (items, inlining_map) = collector::collect_crate_mono_items(tcx, collection_mode);
375
376     tcx.sess.abort_if_errors();
377
378     let (codegen_units, _) = tcx.sess.time("partition_and_assert_distinct_symbols", || {
379         sync::join(
380             || {
381                 let mut codegen_units = partition(
382                     tcx,
383                     &mut items.iter().cloned(),
384                     tcx.sess.codegen_units(),
385                     &inlining_map,
386                 );
387                 codegen_units[0].make_primary();
388                 &*tcx.arena.alloc_from_iter(codegen_units)
389             },
390             || assert_symbols_are_distinct(tcx, items.iter()),
391         )
392     });
393
394     if tcx.prof.enabled() {
395         // Record CGU size estimates for self-profiling.
396         for cgu in codegen_units {
397             tcx.prof.artifact_size(
398                 "codegen_unit_size_estimate",
399                 cgu.name().as_str(),
400                 cgu.size_estimate() as u64,
401             );
402         }
403     }
404
405     let mono_items: DefIdSet = items
406         .iter()
407         .filter_map(|mono_item| match *mono_item {
408             MonoItem::Fn(ref instance) => Some(instance.def_id()),
409             MonoItem::Static(def_id) => Some(def_id),
410             _ => None,
411         })
412         .collect();
413
414     if tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items.is_some() {
415         let mut item_to_cgus: FxHashMap<_, Vec<_>> = Default::default();
416
417         for cgu in codegen_units {
418             for (&mono_item, &linkage) in cgu.items() {
419                 item_to_cgus.entry(mono_item).or_default().push((cgu.name(), linkage));
420             }
421         }
422
423         let mut item_keys: Vec<_> = items
424             .iter()
425             .map(|i| {
426                 let mut output = with_no_trimmed_paths!(i.to_string());
427                 output.push_str(" @@");
428                 let mut empty = Vec::new();
429                 let cgus = item_to_cgus.get_mut(i).unwrap_or(&mut empty);
430                 cgus.sort_by_key(|(name, _)| *name);
431                 cgus.dedup();
432                 for &(ref cgu_name, (linkage, _)) in cgus.iter() {
433                     output.push(' ');
434                     output.push_str(cgu_name.as_str());
435
436                     let linkage_abbrev = match linkage {
437                         Linkage::External => "External",
438                         Linkage::AvailableExternally => "Available",
439                         Linkage::LinkOnceAny => "OnceAny",
440                         Linkage::LinkOnceODR => "OnceODR",
441                         Linkage::WeakAny => "WeakAny",
442                         Linkage::WeakODR => "WeakODR",
443                         Linkage::Appending => "Appending",
444                         Linkage::Internal => "Internal",
445                         Linkage::Private => "Private",
446                         Linkage::ExternalWeak => "ExternalWeak",
447                         Linkage::Common => "Common",
448                     };
449
450                     output.push('[');
451                     output.push_str(linkage_abbrev);
452                     output.push(']');
453                 }
454                 output
455             })
456             .collect();
457
458         item_keys.sort();
459
460         for item in item_keys {
461             println!("MONO_ITEM {}", item);
462         }
463     }
464
465     (tcx.arena.alloc(mono_items), codegen_units)
466 }
467
468 fn codegened_and_inlined_items<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, (): ()) -> &'tcx DefIdSet {
469     let (items, cgus) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
470     let mut visited = DefIdSet::default();
471     let mut result = items.clone();
472
473     for cgu in cgus {
474         for (item, _) in cgu.items() {
475             if let MonoItem::Fn(ref instance) = item {
476                 let did = instance.def_id();
477                 if !visited.insert(did) {
478                     continue;
479                 }
480                 let body = tcx.instance_mir(instance.def);
481                 for block in body.basic_blocks.iter() {
482                     for statement in &block.statements {
483                         let mir::StatementKind::Coverage(_) = statement.kind else { continue };
484                         let scope = statement.source_info.scope;
485                         if let Some(inlined) = scope.inlined_instance(&body.source_scopes) {
486                             result.insert(inlined.def_id());
487                         }
488                     }
489                 }
490             }
491         }
492     }
493
494     tcx.arena.alloc(result)
495 }
496
497 pub fn provide(providers: &mut Providers) {
498     providers.collect_and_partition_mono_items = collect_and_partition_mono_items;
499     providers.codegened_and_inlined_items = codegened_and_inlined_items;
500
501     providers.is_codegened_item = |tcx, def_id| {
502         let (all_mono_items, _) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
503         all_mono_items.contains(&def_id)
504     };
505
506     providers.codegen_unit = |tcx, name| {
507         let (_, all) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
508         all.iter()
509             .find(|cgu| cgu.name() == name)
510             .unwrap_or_else(|| panic!("failed to find cgu with name {:?}", name))
511     };
512 }