]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_monomorphize/src/partitioning/mod.rs
Rollup merge of #101131 - RalfJung:ctfe-no-needs-rfc, r=oli-obk
[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
112 pub struct PartitioningCx<'a, 'tcx> {
113     tcx: TyCtxt<'tcx>,
114     target_cgu_count: usize,
115     inlining_map: &'a InliningMap<'tcx>,
116 }
117
118 trait Partitioner<'tcx> {
119     fn place_root_mono_items(
120         &mut self,
121         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
122         mono_items: &mut dyn Iterator<Item = MonoItem<'tcx>>,
123     ) -> PreInliningPartitioning<'tcx>;
124
125     fn merge_codegen_units(
126         &mut self,
127         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
128         initial_partitioning: &mut PreInliningPartitioning<'tcx>,
129     );
130
131     fn place_inlined_mono_items(
132         &mut self,
133         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
134         initial_partitioning: PreInliningPartitioning<'tcx>,
135     ) -> PostInliningPartitioning<'tcx>;
136
137     fn internalize_symbols(
138         &mut self,
139         cx: &PartitioningCx<'_, 'tcx>,
140         partitioning: &mut PostInliningPartitioning<'tcx>,
141     );
142 }
143
144 fn get_partitioner<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>) -> Box<dyn Partitioner<'tcx>> {
145     let strategy = match &tcx.sess.opts.unstable_opts.cgu_partitioning_strategy {
146         None => "default",
147         Some(s) => &s[..],
148     };
149
150     match strategy {
151         "default" => Box::new(default::DefaultPartitioning),
152         _ => tcx.sess.fatal("unknown partitioning strategy"),
153     }
154 }
155
156 pub fn partition<'tcx>(
157     tcx: TyCtxt<'tcx>,
158     mono_items: &mut dyn Iterator<Item = MonoItem<'tcx>>,
159     max_cgu_count: usize,
160     inlining_map: &InliningMap<'tcx>,
161 ) -> Vec<CodegenUnit<'tcx>> {
162     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning");
163
164     let mut partitioner = get_partitioner(tcx);
165     let cx = &PartitioningCx { tcx, target_cgu_count: max_cgu_count, inlining_map };
166     // In the first step, we place all regular monomorphizations into their
167     // respective 'home' codegen unit. Regular monomorphizations are all
168     // functions and statics defined in the local crate.
169     let mut initial_partitioning = {
170         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_roots");
171         partitioner.place_root_mono_items(cx, mono_items)
172     };
173
174     initial_partitioning.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
175
176     debug_dump(tcx, "INITIAL PARTITIONING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
177
178     // Merge until we have at most `max_cgu_count` codegen units.
179     {
180         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_merge_cgus");
181         partitioner.merge_codegen_units(cx, &mut initial_partitioning);
182         debug_dump(tcx, "POST MERGING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
183     }
184
185     // In the next step, we use the inlining map to determine which additional
186     // monomorphizations have to go into each codegen unit. These additional
187     // monomorphizations can be drop-glue, functions from external crates, and
188     // local functions the definition of which is marked with `#[inline]`.
189     let mut post_inlining = {
190         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_place_inline_items");
191         partitioner.place_inlined_mono_items(cx, initial_partitioning)
192     };
193
194     post_inlining.codegen_units.iter_mut().for_each(|cgu| cgu.estimate_size(tcx));
195
196     debug_dump(tcx, "POST INLINING:", post_inlining.codegen_units.iter());
197
198     // Next we try to make as many symbols "internal" as possible, so LLVM has
199     // more freedom to optimize.
200     if !tcx.sess.link_dead_code() {
201         let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("cgu_partitioning_internalize_symbols");
202         partitioner.internalize_symbols(cx, &mut post_inlining);
203     }
204
205     let instrument_dead_code =
206         tcx.sess.instrument_coverage() && !tcx.sess.instrument_coverage_except_unused_functions();
207
208     if instrument_dead_code {
209         assert!(
210             post_inlining.codegen_units.len() > 0,
211             "There must be at least one CGU that code coverage data can be generated in."
212         );
213
214         // Find the smallest CGU that has exported symbols and put the dead
215         // function stubs in that CGU. We look for exported symbols to increase
216         // the likelihood the linker won't throw away the dead functions.
217         // FIXME(#92165): In order to truly resolve this, we need to make sure
218         // the object file (CGU) containing the dead function stubs is included
219         // in the final binary. This will probably require forcing these
220         // function symbols to be included via `-u` or `/include` linker args.
221         let mut cgus: Vec<_> = post_inlining.codegen_units.iter_mut().collect();
222         cgus.sort_by_key(|cgu| cgu.size_estimate());
223
224         let dead_code_cgu =
225             if let Some(cgu) = cgus.into_iter().rev().find(|cgu| {
226                 cgu.items().iter().any(|(_, (linkage, _))| *linkage == Linkage::External)
227             }) {
228                 cgu
229             } else {
230                 // If there are no CGUs that have externally linked items,
231                 // then we just pick the first CGU as a fallback.
232                 &mut post_inlining.codegen_units[0]
233             };
234         dead_code_cgu.make_code_coverage_dead_code_cgu();
235     }
236
237     // Finally, sort by codegen unit name, so that we get deterministic results.
238     let PostInliningPartitioning {
239         codegen_units: mut result,
240         mono_item_placements: _,
241         internalization_candidates: _,
242     } = post_inlining;
243
244     result.sort_by(|a, b| a.name().as_str().partial_cmp(b.name().as_str()).unwrap());
245
246     result
247 }
248
249 pub struct PreInliningPartitioning<'tcx> {
250     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
251     roots: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
252     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
253 }
254
255 /// For symbol internalization, we need to know whether a symbol/mono-item is
256 /// accessed from outside the codegen unit it is defined in. This type is used
257 /// to keep track of that.
258 #[derive(Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
259 enum MonoItemPlacement {
260     SingleCgu { cgu_name: Symbol },
261     MultipleCgus,
262 }
263
264 struct PostInliningPartitioning<'tcx> {
265     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
266     mono_item_placements: FxHashMap<MonoItem<'tcx>, MonoItemPlacement>,
267     internalization_candidates: FxHashSet<MonoItem<'tcx>>,
268 }
269
270 fn debug_dump<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, label: &str, cgus: I)
271 where
272     I: Iterator<Item = &'a CodegenUnit<'tcx>>,
273     'tcx: 'a,
274 {
275     let dump = move || {
276         use std::fmt::Write;
277
278         let s = &mut String::new();
279         let _ = writeln!(s, "{}", label);
280         for cgu in cgus {
281             let _ =
282                 writeln!(s, "CodegenUnit {} estimated size {} :", cgu.name(), cgu.size_estimate());
283
284             for (mono_item, linkage) in cgu.items() {
285                 let symbol_name = mono_item.symbol_name(tcx).name;
286                 let symbol_hash_start = symbol_name.rfind('h');
287                 let symbol_hash = symbol_hash_start.map_or("<no hash>", |i| &symbol_name[i..]);
288
289                 let _ = writeln!(
290                     s,
291                     " - {} [{:?}] [{}] estimated size {}",
292                     mono_item,
293                     linkage,
294                     symbol_hash,
295                     mono_item.size_estimate(tcx)
296                 );
297             }
298
299             let _ = writeln!(s, "");
300         }
301
302         std::mem::take(s)
303     };
304
305     debug!("{}", dump());
306 }
307
308 #[inline(never)] // give this a place in the profiler
309 fn assert_symbols_are_distinct<'a, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'tcx>, mono_items: I)
310 where
311     I: Iterator<Item = &'a MonoItem<'tcx>>,
312     'tcx: 'a,
313 {
314     let _prof_timer = tcx.prof.generic_activity("assert_symbols_are_distinct");
315
316     let mut symbols: Vec<_> =
317         mono_items.map(|mono_item| (mono_item, mono_item.symbol_name(tcx))).collect();
318
319     symbols.sort_by_key(|sym| sym.1);
320
321     for &[(mono_item1, ref sym1), (mono_item2, ref sym2)] in symbols.array_windows() {
322         if sym1 == sym2 {
323             let span1 = mono_item1.local_span(tcx);
324             let span2 = mono_item2.local_span(tcx);
325
326             // Deterministically select one of the spans for error reporting
327             let span = match (span1, span2) {
328                 (Some(span1), Some(span2)) => {
329                     Some(if span1.lo().0 > span2.lo().0 { span1 } else { span2 })
330                 }
331                 (span1, span2) => span1.or(span2),
332             };
333
334             let error_message = format!("symbol `{}` is already defined", sym1);
335
336             if let Some(span) = span {
337                 tcx.sess.span_fatal(span, &error_message)
338             } else {
339                 tcx.sess.fatal(&error_message)
340             }
341         }
342     }
343 }
344
345 fn collect_and_partition_mono_items<'tcx>(
346     tcx: TyCtxt<'tcx>,
347     (): (),
348 ) -> (&'tcx DefIdSet, &'tcx [CodegenUnit<'tcx>]) {
349     let collection_mode = match tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items {
350         Some(ref s) => {
351             let mode_string = s.to_lowercase();
352             let mode_string = mode_string.trim();
353             if mode_string == "eager" {
354                 MonoItemCollectionMode::Eager
355             } else {
356                 if mode_string != "lazy" {
357                     let message = format!(
358                         "Unknown codegen-item collection mode '{}'. \
359                                            Falling back to 'lazy' mode.",
360                         mode_string
361                     );
362                     tcx.sess.warn(&message);
363                 }
364
365                 MonoItemCollectionMode::Lazy
366             }
367         }
368         None => {
369             if tcx.sess.link_dead_code() {
370                 MonoItemCollectionMode::Eager
371             } else {
372                 MonoItemCollectionMode::Lazy
373             }
374         }
375     };
376
377     let (items, inlining_map) = collector::collect_crate_mono_items(tcx, collection_mode);
378
379     tcx.sess.abort_if_errors();
380
381     let (codegen_units, _) = tcx.sess.time("partition_and_assert_distinct_symbols", || {
382         sync::join(
383             || {
384                 let mut codegen_units = partition(
385                     tcx,
386                     &mut items.iter().cloned(),
387                     tcx.sess.codegen_units(),
388                     &inlining_map,
389                 );
390                 codegen_units[0].make_primary();
391                 &*tcx.arena.alloc_from_iter(codegen_units)
392             },
393             || assert_symbols_are_distinct(tcx, items.iter()),
394         )
395     });
396
397     if tcx.prof.enabled() {
398         // Record CGU size estimates for self-profiling.
399         for cgu in codegen_units {
400             tcx.prof.artifact_size(
401                 "codegen_unit_size_estimate",
402                 cgu.name().as_str(),
403                 cgu.size_estimate() as u64,
404             );
405         }
406     }
407
408     let mono_items: DefIdSet = items
409         .iter()
410         .filter_map(|mono_item| match *mono_item {
411             MonoItem::Fn(ref instance) => Some(instance.def_id()),
412             MonoItem::Static(def_id) => Some(def_id),
413             _ => None,
414         })
415         .collect();
416
417     if tcx.sess.opts.unstable_opts.print_mono_items.is_some() {
418         let mut item_to_cgus: FxHashMap<_, Vec<_>> = Default::default();
419
420         for cgu in codegen_units {
421             for (&mono_item, &linkage) in cgu.items() {
422                 item_to_cgus.entry(mono_item).or_default().push((cgu.name(), linkage));
423             }
424         }
425
426         let mut item_keys: Vec<_> = items
427             .iter()
428             .map(|i| {
429                 let mut output = with_no_trimmed_paths!(i.to_string());
430                 output.push_str(" @@");
431                 let mut empty = Vec::new();
432                 let cgus = item_to_cgus.get_mut(i).unwrap_or(&mut empty);
433                 cgus.sort_by_key(|(name, _)| *name);
434                 cgus.dedup();
435                 for &(ref cgu_name, (linkage, _)) in cgus.iter() {
436                     output.push(' ');
437                     output.push_str(cgu_name.as_str());
438
439                     let linkage_abbrev = match linkage {
440                         Linkage::External => "External",
441                         Linkage::AvailableExternally => "Available",
442                         Linkage::LinkOnceAny => "OnceAny",
443                         Linkage::LinkOnceODR => "OnceODR",
444                         Linkage::WeakAny => "WeakAny",
445                         Linkage::WeakODR => "WeakODR",
446                         Linkage::Appending => "Appending",
447                         Linkage::Internal => "Internal",
448                         Linkage::Private => "Private",
449                         Linkage::ExternalWeak => "ExternalWeak",
450                         Linkage::Common => "Common",
451                     };
452
453                     output.push('[');
454                     output.push_str(linkage_abbrev);
455                     output.push(']');
456                 }
457                 output
458             })
459             .collect();
460
461         item_keys.sort();
462
463         for item in item_keys {
464             println!("MONO_ITEM {}", item);
465         }
466     }
467
468     (tcx.arena.alloc(mono_items), codegen_units)
469 }
470
471 fn codegened_and_inlined_items<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, (): ()) -> &'tcx DefIdSet {
472     let (items, cgus) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
473     let mut visited = DefIdSet::default();
474     let mut result = items.clone();
475
476     for cgu in cgus {
477         for (item, _) in cgu.items() {
478             if let MonoItem::Fn(ref instance) = item {
479                 let did = instance.def_id();
480                 if !visited.insert(did) {
481                     continue;
482                 }
483                 let body = tcx.instance_mir(instance.def);
484                 for block in body.basic_blocks.iter() {
485                     for statement in &block.statements {
486                         let mir::StatementKind::Coverage(_) = statement.kind else { continue };
487                         let scope = statement.source_info.scope;
488                         if let Some(inlined) = scope.inlined_instance(&body.source_scopes) {
489                             result.insert(inlined.def_id());
490                         }
491                     }
492                 }
493             }
494         }
495     }
496
497     tcx.arena.alloc(result)
498 }
499
500 pub fn provide(providers: &mut Providers) {
501     providers.collect_and_partition_mono_items = collect_and_partition_mono_items;
502     providers.codegened_and_inlined_items = codegened_and_inlined_items;
503
504     providers.is_codegened_item = |tcx, def_id| {
505         let (all_mono_items, _) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
506         all_mono_items.contains(&def_id)
507     };
508
509     providers.codegen_unit = |tcx, name| {
510         let (_, all) = tcx.collect_and_partition_mono_items(());
511         all.iter()
512             .find(|cgu| cgu.name() == name)
513             .unwrap_or_else(|| panic!("failed to find cgu with name {:?}", name))
514     };
515 }