]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_monomorphize/src/partitioning/mod.rs
rebased: convert rustc_monomorphize errors to SessionDiagnostic
[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::{FatalError, SpanFatalError};
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             let error_message = "unknown partitioning strategy".to_string();
155             tcx.sess.emit_fatal(FatalError { error_message: error_message.clone() });
156         }
157     }
158 }
159
160 pub fn partition<'tcx>(
161     tcx: TyCtxt<'tcx>,
162     mono_items: &mut dyn Iterator<Item = MonoItem<'tcx>>,
163     max_cgu_count: usize,
164     inlining_map: &InliningMap<'tcx>,
165 ) -> Vec<CodegenUnit<'tcx>> {
166     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning");
167
168     let mut partitioner = get_partitioner(tcx);
169     let cx = &PartitioningCx { tcx, target_cgu_count: max_cgu_count, inlining_map };
170     // In the first step, we place all regular monomorphizations into their
171     // respective 'home' codegen unit. Regular monomorphizations are all
172     // functions and statics defined in the local crate.
173     let mut initial_partitioning = {
174         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_roots");
175         partitioner.place_root_mono_items(cx, mono_items)
176     };
177
178     initial_partitioning.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
179
180     debug_dump(tcx, "INITIAL PARTITIONING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
181
182     // Merge until we have at most `max_cgu_count` codegen units.
183     {
184         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_merge_cgus");
185         partitioner.merge_codegen_units(cx, &mut initial_partitioning);
186         debug_dump(tcx, "POST MERGING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
187     }
188
189     // In the next step, we use the inlining map to determine which additional
190     // monomorphizations have to go into each codegen unit. These additional
191     // monomorphizations can be drop-glue, functions from external crates, and
192     // local functions the definition of which is marked with `#[inline]`.
193     let mut post_inlining = {
194         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_inline_items");
195         partitioner.place_inlined_mono_items(cx, initial_partitioning)
196     };
197
198     post_inlining.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
199
200     debug_dump(tcx, "POST INLINING:", post_inlining.codegen_units.iter());
201
202     // Next we try to make as many symbols "internal" as possible, so LLVM has
203     // more freedom to optimize.
204     if !tcx.sess.link_dead_code() {
205         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_internalize_symbols");
206         partitioner.internalize_symbols(cx, &mut post_inlining);
207     }
208
209     let instrument_dead_code =
210         tcx.sess.instrument_coverage() && !tcx.sess.instrument_coverage_except_unused_functions();
211
212     if instrument_dead_code {
213         assert!(
214             post_inlining.codegen_units.len() > 0,
215             "There must be at least one CGU that code coverage data can be generated in."
216         );
217
218         // Find the smallest CGU that has exported symbols and put the dead
219         // function stubs in that CGU. We look for exported symbols to increase
220         // the likelihood the linker won't throw away the dead functions.
221         // FIXME(#92165): In order to truly resolve this, we need to make sure
222         // the object file (CGU) containing the dead function stubs is included
223         // in the final binary. This will probably require forcing these
224         // function symbols to be included via `-u` or `/include` linker args.
225         let mut cgus: Vec<_> = post_inlining.codegen_units.iter_mut().collect();
226         cgus.sort_by_key(|cgu| cgu.size_estimate());
227
228         let dead_code_cgu =
229             if let Some(cgu) = cgus.into_iter().rev().find(|cgu| {
230                 cgu.items().iter().any(|(_, (linkage, _))| *linkage == Linkage::External)
231             }) {
232                 cgu
233             } else {
234                 // If there are no CGUs that have externally linked items,
235                 // then we just pick the first CGU as a fallback.
236                 &mut post_inlining.codegen_units[0]
237             };
238         dead_code_cgu.make_code_coverage_dead_code_cgu();
239     }
240
241     // Finally, sort by codegen unit name, so that we get deterministic results.
242     let PostInliningPartitioning {
243         codegen_units: mut result,
244         mono_item_placements: _,
245         internalization_candidates: _,
246     } = post_inlining;
247
248     result.sort_by(|a, b| a.name().as_str().partial_cmp(b.name().as_str()).unwrap());
249
250     result
251 }
252
253 pub struct PreInliningPartitioning<'tcx> {
254     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
255     roots: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
256     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
257 }
258
259 /// For symbol internalization, we need to know whether a symbol/mono-item is
260 /// accessed from outside the codegen unit it is defined in. This type is used
261 /// to keep track of that.
262 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
263 enum MonoItemPlacement {
264     SingleCgu { cgu_name: Symbol },
265     MultipleCgus,
266 }
267
268 struct PostInliningPartitioning<'tcx> {
269     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
270     mono_item_placements: FxHashMap<MonoItem<'tcx>, MonoItemPlacement>,
271     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
272 }
273
274 fn debug_dump<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, label: &str, cgus: I)
275 where
276     I: Iterator<Item = &'a CodegenUnit<'tcx>>,
277     'tcx: 'a,
278 {
279     let dump = move || {
280         use std::fmt::Write;
281
282         let s = &mut String::new();
283         let _ = writeln!(s, "{}", label);
284         for cgu in cgus {
285             let _ =
286                 writeln!(s, "CodegenUnit {} estimated size {} :", cgu.name(), cgu.size_estimate());
287
288             for (mono_item, linkage) in cgu.items() {
289                 let symbol_name = mono_item.symbol_name(tcx).name;
290                 let symbol_hash_start = symbol_name.rfind('h');
291                 let symbol_hash = symbol_hash_start.map_or("<no hash>", |i| &symbol_name[i..]);
292
293                 let _ = writeln!(
294                     s,
295                     " - {} [{:?}] [{}] estimated size {}",
296                     mono_item,
297                     linkage,
298                     symbol_hash,
299                     mono_item.size_estimate(tcx)
300                 );
301             }
302
303             let _ = writeln!(s, "");
304         }
305
306         std::mem::take(s)
307     };
308
309     debug!("{}", dump());
310 }
311
312 #[inline(never)] // give this a place in the profiler
313 fn assert_symbols_are_distinct<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, mono_items: I)
314 where
315     I: Iterator<Item = &'a MonoItem<'tcx>>,
316     'tcx: 'a,
317 {
318     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("assert_symbols_are_distinct");
319
320     let mut symbols: Vec<_> =
321         mono_items.map(|mono_item| (mono_item, mono_item.symbol_name(tcx))).collect();
322
323     symbols.sort_by_key(|sym| sym.1);
324
325     for &[(mono_item1, ref sym1), (mono_item2, ref sym2)] in symbols.array_windows() {
326         if sym1 == sym2 {
327             let span1 = mono_item1.local_span(tcx);
328             let span2 = mono_item2.local_span(tcx);
329
330             // Deterministically select one of the spans for error reporting
331             let span = match (span1, span2) {
332                 (Some(span1), Some(span2)) => {
333                     Some(if span1.lo().0 > span2.lo().0 { span1 } else { span2 })
334                 }
335                 (span1, span2) => span1.or(span2),
336             };
337
338             let error_message = format!("symbol `{}` is already defined", sym1);
339
340             if let Some(span) = span {
341                 tcx.sess.emit_fatal(SpanFatalError { span, error_message: error_message.clone() });
342             } else {
343                 tcx.sess.emit_fatal(FatalError { error_message: error_message.clone() });
344             }
345         }
346     }
347 }
348
349 fn collect_and_partition_mono_items<'tcx>(
350     tcx: TyCtxt<'tcx>,
351     (): (),
352 ) -> (&'tcx DefIdSet, &'tcx [CodegenUnit<'tcx>]) {
353     let collection_mode = match tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items {
354         Some(ref s) => {
355             let mode_string = s.to_lowercase();
356             let mode_string = mode_string.trim();
357             if mode_string == "eager" {
358                 MonoItemCollectionMode::Eager
359             } else {
360                 if mode_string != "lazy" {
361                     let message = format!(
362                         "Unknown codegen-item collection mode '{}'. \
363                                            Falling back to 'lazy' mode.",
364                         mode_string
365                     );
366                     tcx.sess.warn(&message);
367                 }
368
369                 MonoItemCollectionMode::Lazy
370             }
371         }
372         None => {
373             if tcx.sess.link_dead_code() {
374                 MonoItemCollectionMode::Eager
375             } else {
376                 MonoItemCollectionMode::Lazy
377             }
378         }
379     };
380
381     let (items, inlining_map) = collector::collect_crate_mono_items(tcx, collection_mode);
382
383     tcx.sess.abort_if_errors();
384
385     let (codegen_units, _) = tcx.sess.time("partition_and_assert_distinct_symbols", || {
386         sync::join(
387             || {
388                 let mut codegen_units = partition(
389                     tcx,
390                     &mut items.iter().cloned(),
391                     tcx.sess.codegen_units(),
392                     &inlining_map,
393                 );
394                 codegen_units[0].make_primary();
395                 &*tcx.arena.alloc_from_iter(codegen_units)
396             },
397             || assert_symbols_are_distinct(tcx, items.iter()),
398         )
399     });
400
401     if tcx.prof.enabled() {
402         // Record CGU size estimates for self-profiling.
403         for cgu in codegen_units {
404             tcx.prof.artifact_size(
405                 "codegen_unit_size_estimate",
406                 cgu.name().as_str(),
407                 cgu.size_estimate() as u64,
408             );
409         }
410     }
411
412     let mono_items: DefIdSet = items
413         .iter()
414         .filter_map(|mono_item| match *mono_item {
415             MonoItem::Fn(ref instance) => Some(instance.def_id()),
416             MonoItem::Static(def_id) => Some(def_id),
417             _ => None,
418         })
419         .collect();
420
421     if tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items.is_some() {
422         let mut item_to_cgus: FxHashMap<_, Vec<_>> = Default::default();
423
424         for cgu in codegen_units {
425             for (&mono_item, &linkage) in cgu.items() {
426                 item_to_cgus.entry(mono_item).or_default().push((cgu.name(), linkage));
427             }
428         }
429
430         let mut item_keys: Vec<_> = items
431             .iter()
432             .map(|i| {
433                 let mut output = with_no_trimmed_paths!(i.to_string());
434                 output.push_str(" @@");
435                 let mut empty = Vec::new();
436                 let cgus = item_to_cgus.get_mut(i).unwrap_or(&mut empty);
437                 cgus.sort_by_key(|(name, _)| *name);
438                 cgus.dedup();
439                 for &(ref cgu_name, (linkage, _)) in cgus.iter() {
440                     output.push(' ');
441                     output.push_str(cgu_name.as_str());
442
443                     let linkage_abbrev = match linkage {
444                         Linkage::External => "External",
445                         Linkage::AvailableExternally => "Available",
446                         Linkage::LinkOnceAny => "OnceAny",
447                         Linkage::LinkOnceODR => "OnceODR",
448                         Linkage::WeakAny => "WeakAny",
449                         Linkage::WeakODR => "WeakODR",
450                         Linkage::Appending => "Appending",
451                         Linkage::Internal => "Internal",
452                         Linkage::Private => "Private",
453                         Linkage::ExternalWeak => "ExternalWeak",
454                         Linkage::Common => "Common",
455                     };
456
457                     output.push('[');
458                     output.push_str(linkage_abbrev);
459                     output.push(']');
460                 }
461                 output
462             })
463             .collect();
464
465         item_keys.sort();
466
467         for item in item_keys {
468             println!("MONO_ITEM {}", item);
469         }
470     }
471
472     (tcx.arena.alloc(mono_items), codegen_units)
473 }
474
475 fn codegened_and_inlined_items<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, (): ()) -> &'tcx DefIdSet {
476     let (items, cgus) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
477     let mut visited = DefIdSet::default();
478     let mut result = items.clone();
479
480     for cgu in cgus {
481         for (item, _) in cgu.items() {
482             if let MonoItem::Fn(ref instance) = item {
483                 let did = instance.def_id();
484                 if !visited.insert(did) {
485                     continue;
486                 }
487                 let body = tcx.instance_mir(instance.def);
488                 for block in body.basic_blocks() {
489                     for statement in &block.statements {
490                         let mir::StatementKind::Coverage(_) = statement.kind else { continue };
491                         let scope = statement.source_info.scope;
492                         if let Some(inlined) = scope.inlined_instance(&body.source_scopes) {
493                             result.insert(inlined.def_id());
494                         }
495                     }
496                 }
497             }
498         }
499     }
500
501     tcx.arena.alloc(result)
502 }
503
504 pub fn provide(providers: &mut Providers) {
505     providers.collect_and_partition_mono_items = collect_and_partition_mono_items;
506     providers.codegened_and_inlined_items = codegened_and_inlined_items;
507
508     providers.is_codegened_item = |tcx, def_id| {
509         let (all_mono_items, _) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
510         all_mono_items.contains(&def_id)
511     };
512
513     providers.codegen_unit = |tcx, name| {
514         let (_, all) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
515         all.iter()
516             .find(|cgu| cgu.name() == name)
517             .unwrap_or_else(|| panic!("failed to find cgu with name {:?}", name))
518     };
519 }