]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/librustc_trans/partitioning.rs
move Instance to rustc and use it in the collector
[rust.git] / src / librustc_trans / partitioning.rs
1 // Copyright 2016 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
2 // file at the top-level directory of this distribution and at
3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
4 //
5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
9 // except according to those terms.
10
11 //! Partitioning Codegen Units for Incremental Compilation
12 //! ======================================================
13 //!
14 //! The task of this module is to take the complete set of translation items of
15 //! a crate and produce a set of codegen units from it, where a codegen unit
16 //! is a named set of (translation-item, linkage) pairs. That is, this module
17 //! decides which translation item appears in which codegen units with which
18 //! linkage. The following paragraphs describe some of the background on the
19 //! partitioning scheme.
20 //!
21 //! The most important opportunity for saving on compilation time with
22 //! incremental compilation is to avoid re-translating and re-optimizing code.
23 //! Since the unit of translation and optimization for LLVM is "modules" or, how
24 //! we call them "codegen units", the particulars of how much time can be saved
25 //! by incremental compilation are tightly linked to how the output program is
26 //! partitioned into these codegen units prior to passing it to LLVM --
27 //! especially because we have to treat codegen units as opaque entities once
28 //! they are created: There is no way for us to incrementally update an existing
29 //! LLVM module and so we have to build any such module from scratch if it was
30 //! affected by some change in the source code.
31 //!
32 //! From that point of view it would make sense to maximize the number of
33 //! codegen units by, for example, putting each function into its own module.
34 //! That way only those modules would have to be re-compiled that were actually
35 //! affected by some change, minimizing the number of functions that could have
36 //! been re-used but just happened to be located in a module that is
37 //! re-compiled.
38 //!
39 //! However, since LLVM optimization does not work across module boundaries,
40 //! using such a highly granular partitioning would lead to very slow runtime
41 //! code since it would effectively prohibit inlining and other inter-procedure
42 //! optimizations. We want to avoid that as much as possible.
43 //!
44 //! Thus we end up with a trade-off: The bigger the codegen units, the better
45 //! LLVM's optimizer can do its work, but also the smaller the compilation time
46 //! reduction we get from incremental compilation.
47 //!
48 //! Ideally, we would create a partitioning such that there are few big codegen
49 //! units with few interdependencies between them. For now though, we use the
50 //! following heuristic to determine the partitioning:
51 //!
52 //! - There are two codegen units for every source-level module:
53 //! - One for "stable", that is non-generic, code
54 //! - One for more "volatile" code, i.e. monomorphized instances of functions
55 //!   defined in that module
56 //!
57 //! In order to see why this heuristic makes sense, let's take a look at when a
58 //! codegen unit can get invalidated:
59 //!
60 //! 1. The most straightforward case is when the BODY of a function or global
61 //! changes. Then any codegen unit containing the code for that item has to be
62 //! re-compiled. Note that this includes all codegen units where the function
63 //! has been inlined.
64 //!
65 //! 2. The next case is when the SIGNATURE of a function or global changes. In
66 //! this case, all codegen units containing a REFERENCE to that item have to be
67 //! re-compiled. This is a superset of case 1.
68 //!
69 //! 3. The final and most subtle case is when a REFERENCE to a generic function
70 //! is added or removed somewhere. Even though the definition of the function
71 //! might be unchanged, a new REFERENCE might introduce a new monomorphized
72 //! instance of this function which has to be placed and compiled somewhere.
73 //! Conversely, when removing a REFERENCE, it might have been the last one with
74 //! that particular set of generic arguments and thus we have to remove it.
75 //!
76 //! From the above we see that just using one codegen unit per source-level
77 //! module is not such a good idea, since just adding a REFERENCE to some
78 //! generic item somewhere else would invalidate everything within the module
79 //! containing the generic item. The heuristic above reduces this detrimental
80 //! side-effect of references a little by at least not touching the non-generic
81 //! code of the module.
82 //!
83 //! A Note on Inlining
84 //! ------------------
85 //! As briefly mentioned above, in order for LLVM to be able to inline a
86 //! function call, the body of the function has to be available in the LLVM
87 //! module where the call is made. This has a few consequences for partitioning:
88 //!
89 //! - The partitioning algorithm has to take care of placing functions into all
90 //!   codegen units where they should be available for inlining. It also has to
91 //!   decide on the correct linkage for these functions.
92 //!
93 //! - The partitioning algorithm has to know which functions are likely to get
94 //!   inlined, so it can distribute function instantiations accordingly. Since
95 //!   there is no way of knowing for sure which functions LLVM will decide to
96 //!   inline in the end, we apply a heuristic here: Only functions marked with
97 //!   #[inline] are considered for inlining by the partitioner. The current
98 //!   implementation will not try to determine if a function is likely to be
99 //!   inlined by looking at the functions definition.
100 //!
101 //! Note though that as a side-effect of creating a codegen units per
102 //! source-level module, functions from the same module will be available for
103 //! inlining, even when they are not marked #[inline].
104
105 use collector::InliningMap;
106 use common;
107 use context::SharedCrateContext;
108 use llvm;
109 use rustc::dep_graph::{DepNode, WorkProductId};
110 use rustc::hir::def_id::DefId;
111 use rustc::hir::map::DefPathData;
112 use rustc::session::config::NUMBERED_CODEGEN_UNIT_MARKER;
113 use rustc::ty::{self, TyCtxt};
114 use rustc::ty::item_path::characteristic_def_id_of_type;
115 use rustc_incremental::IchHasher;
116 use std::cmp::Ordering;
117 use std::hash::Hash;
118 use std::sync::Arc;
119 use symbol_map::SymbolMap;
120 use syntax::ast::NodeId;
121 use syntax::symbol::{Symbol, InternedString};
122 use trans_item::{TransItem, InstantiationMode};
123 use util::nodemap::{FxHashMap, FxHashSet};
124
125 pub enum PartitioningStrategy {
126     /// Generate one codegen unit per source-level module.
127     PerModule,
128
129     /// Partition the whole crate into a fixed number of codegen units.
130     FixedUnitCount(usize)
131 }
132
133 pub struct CodegenUnit<'tcx> {
134     /// A name for this CGU. Incremental compilation requires that
135     /// name be unique amongst **all** crates.  Therefore, it should
136     /// contain something unique to this crate (e.g., a module path)
137     /// as well as the crate name and disambiguator.
138     name: InternedString,
139
140     items: FxHashMap<TransItem<'tcx>, llvm::Linkage>,
141 }
142
143 impl<'tcx> CodegenUnit<'tcx> {
144     pub fn new(name: InternedString,
145                items: FxHashMap<TransItem<'tcx>, llvm::Linkage>)
146                -> Self {
147         CodegenUnit {
148             name: name,
149             items: items,
150         }
151     }
152
153     pub fn empty(name: InternedString) -> Self {
154         Self::new(name, FxHashMap())
155     }
156
157     pub fn contains_item(&self, item: &TransItem<'tcx>) -> bool {
158         self.items.contains_key(item)
159     }
160
161     pub fn name(&self) -> &str {
162         &self.name
163     }
164
165     pub fn items(&self) -> &FxHashMap<TransItem<'tcx>, llvm::Linkage> {
166         &self.items
167     }
168
169     pub fn work_product_id(&self) -> Arc<WorkProductId> {
170         Arc::new(WorkProductId(self.name().to_string()))
171     }
172
173     pub fn work_product_dep_node(&self) -> DepNode<DefId> {
174         DepNode::WorkProduct(self.work_product_id())
175     }
176
177     pub fn compute_symbol_name_hash(&self,
178                                     scx: &SharedCrateContext,
179                                     symbol_map: &SymbolMap) -> u64 {
180         let mut state = IchHasher::new();
181         let exported_symbols = scx.exported_symbols();
182         let all_items = self.items_in_deterministic_order(scx.tcx(), symbol_map);
183         for (item, _) in all_items {
184             let symbol_name = symbol_map.get(item).unwrap();
185             symbol_name.len().hash(&mut state);
186             symbol_name.hash(&mut state);
187             let exported = match item {
188                TransItem::Fn(ref instance) => {
189                    let node_id =
190                        scx.tcx().hir.as_local_node_id(instance.def_id());
191                     node_id.map(|node_id| exported_symbols.contains(&node_id))
192                            .unwrap_or(false)
193                }
194                TransItem::Static(node_id) => {
195                     exported_symbols.contains(&node_id)
196                }
197                TransItem::DropGlue(..) => false,
198             };
199             exported.hash(&mut state);
200         }
201         state.finish().to_smaller_hash()
202     }
203
204     pub fn items_in_deterministic_order(&self,
205                                         tcx: TyCtxt,
206                                         symbol_map: &SymbolMap)
207                                         -> Vec<(TransItem<'tcx>, llvm::Linkage)> {
208         let mut items: Vec<(TransItem<'tcx>, llvm::Linkage)> =
209             self.items.iter().map(|(item, linkage)| (*item, *linkage)).collect();
210
211         // The codegen tests rely on items being process in the same order as
212         // they appear in the file, so for local items, we sort by node_id first
213         items.sort_by(|&(trans_item1, _), &(trans_item2, _)| {
214             let node_id1 = local_node_id(tcx, trans_item1);
215             let node_id2 = local_node_id(tcx, trans_item2);
216
217             match (node_id1, node_id2) {
218                 (None, None) => {
219                     let symbol_name1 = symbol_map.get(trans_item1).unwrap();
220                     let symbol_name2 = symbol_map.get(trans_item2).unwrap();
221                     symbol_name1.cmp(symbol_name2)
222                 }
223                 // In the following two cases we can avoid looking up the symbol
224                 (None, Some(_)) => Ordering::Less,
225                 (Some(_), None) => Ordering::Greater,
226                 (Some(node_id1), Some(node_id2)) => {
227                     let ordering = node_id1.cmp(&node_id2);
228
229                     if ordering != Ordering::Equal {
230                         return ordering;
231                     }
232
233                     let symbol_name1 = symbol_map.get(trans_item1).unwrap();
234                     let symbol_name2 = symbol_map.get(trans_item2).unwrap();
235                     symbol_name1.cmp(symbol_name2)
236                 }
237             }
238         });
239
240         return items;
241
242         fn local_node_id(tcx: TyCtxt, trans_item: TransItem) -> Option<NodeId> {
243             match trans_item {
244                 TransItem::Fn(instance) => {
245                     tcx.hir.as_local_node_id(instance.def_id())
246                 }
247                 TransItem::Static(node_id) => Some(node_id),
248                 TransItem::DropGlue(_) => None,
249             }
250         }
251     }
252 }
253
254
255 // Anything we can't find a proper codegen unit for goes into this.
256 const FALLBACK_CODEGEN_UNIT: &'static str = "__rustc_fallback_codegen_unit";
257
258 pub fn partition<'a, 'tcx, I>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
259                               trans_items: I,
260                               strategy: PartitioningStrategy,
261                               inlining_map: &InliningMap<'tcx>)
262                               -> Vec<CodegenUnit<'tcx>>
263     where I: Iterator<Item = TransItem<'tcx>>
264 {
265     let tcx = scx.tcx();
266
267     // In the first step, we place all regular translation items into their
268     // respective 'home' codegen unit. Regular translation items are all
269     // functions and statics defined in the local crate.
270     let mut initial_partitioning = place_root_translation_items(scx,
271                                                                 trans_items);
272
273     debug_dump(scx, "INITIAL PARTITONING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
274
275     // If the partitioning should produce a fixed count of codegen units, merge
276     // until that count is reached.
277     if let PartitioningStrategy::FixedUnitCount(count) = strategy {
278         merge_codegen_units(&mut initial_partitioning, count, &tcx.crate_name.as_str());
279
280         debug_dump(scx, "POST MERGING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
281     }
282
283     // In the next step, we use the inlining map to determine which addtional
284     // translation items have to go into each codegen unit. These additional
285     // translation items can be drop-glue, functions from external crates, and
286     // local functions the definition of which is marked with #[inline].
287     let post_inlining = place_inlined_translation_items(initial_partitioning,
288                                                         inlining_map);
289
290     debug_dump(scx, "POST INLINING:", post_inlining.0.iter());
291
292     // Finally, sort by codegen unit name, so that we get deterministic results
293     let mut result = post_inlining.0;
294     result.sort_by(|cgu1, cgu2| {
295         (&cgu1.name[..]).cmp(&cgu2.name[..])
296     });
297
298     result
299 }
300
301 struct PreInliningPartitioning<'tcx> {
302     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
303     roots: FxHashSet<TransItem<'tcx>>,
304 }
305
306 struct PostInliningPartitioning<'tcx>(Vec<CodegenUnit<'tcx>>);
307
308 fn place_root_translation_items<'a, 'tcx, I>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
309                                              trans_items: I)
310                                              -> PreInliningPartitioning<'tcx>
311     where I: Iterator<Item = TransItem<'tcx>>
312 {
313     let tcx = scx.tcx();
314     let mut roots = FxHashSet();
315     let mut codegen_units = FxHashMap();
316     let is_incremental_build = tcx.sess.opts.incremental.is_some();
317
318     for trans_item in trans_items {
319         let is_root = trans_item.instantiation_mode(tcx) == InstantiationMode::GloballyShared;
320
321         if is_root {
322             let characteristic_def_id = characteristic_def_id_of_trans_item(scx, trans_item);
323             let is_volatile = is_incremental_build &&
324                               trans_item.is_generic_fn();
325
326             let codegen_unit_name = match characteristic_def_id {
327                 Some(def_id) => compute_codegen_unit_name(tcx, def_id, is_volatile),
328                 None => Symbol::intern(FALLBACK_CODEGEN_UNIT).as_str(),
329             };
330
331             let make_codegen_unit = || {
332                 CodegenUnit::empty(codegen_unit_name.clone())
333             };
334
335             let mut codegen_unit = codegen_units.entry(codegen_unit_name.clone())
336                                                 .or_insert_with(make_codegen_unit);
337
338             let linkage = match trans_item.explicit_linkage(tcx) {
339                 Some(explicit_linkage) => explicit_linkage,
340                 None => {
341                     match trans_item {
342                         TransItem::Fn(..) |
343                         TransItem::Static(..) => llvm::ExternalLinkage,
344                         TransItem::DropGlue(..) => unreachable!(),
345                     }
346                 }
347             };
348
349             codegen_unit.items.insert(trans_item, linkage);
350             roots.insert(trans_item);
351         }
352     }
353
354     // always ensure we have at least one CGU; otherwise, if we have a
355     // crate with just types (for example), we could wind up with no CGU
356     if codegen_units.is_empty() {
357         let codegen_unit_name = Symbol::intern(FALLBACK_CODEGEN_UNIT).as_str();
358         codegen_units.entry(codegen_unit_name.clone())
359                      .or_insert_with(|| CodegenUnit::empty(codegen_unit_name.clone()));
360     }
361
362     PreInliningPartitioning {
363         codegen_units: codegen_units.into_iter()
364                                     .map(|(_, codegen_unit)| codegen_unit)
365                                     .collect(),
366         roots: roots,
367     }
368 }
369
370 fn merge_codegen_units<'tcx>(initial_partitioning: &mut PreInliningPartitioning<'tcx>,
371                              target_cgu_count: usize,
372                              crate_name: &str) {
373     assert!(target_cgu_count >= 1);
374     let codegen_units = &mut initial_partitioning.codegen_units;
375
376     // Merge the two smallest codegen units until the target size is reached.
377     // Note that "size" is estimated here rather inaccurately as the number of
378     // translation items in a given unit. This could be improved on.
379     while codegen_units.len() > target_cgu_count {
380         // Sort small cgus to the back
381         codegen_units.sort_by_key(|cgu| -(cgu.items.len() as i64));
382         let smallest = codegen_units.pop().unwrap();
383         let second_smallest = codegen_units.last_mut().unwrap();
384
385         for (k, v) in smallest.items.into_iter() {
386             second_smallest.items.insert(k, v);
387         }
388     }
389
390     for (index, cgu) in codegen_units.iter_mut().enumerate() {
391         cgu.name = numbered_codegen_unit_name(crate_name, index);
392     }
393
394     // If the initial partitioning contained less than target_cgu_count to begin
395     // with, we won't have enough codegen units here, so add a empty units until
396     // we reach the target count
397     while codegen_units.len() < target_cgu_count {
398         let index = codegen_units.len();
399         codegen_units.push(
400             CodegenUnit::empty(numbered_codegen_unit_name(crate_name, index)));
401     }
402 }
403
404 fn place_inlined_translation_items<'tcx>(initial_partitioning: PreInliningPartitioning<'tcx>,
405                                          inlining_map: &InliningMap<'tcx>)
406                                          -> PostInliningPartitioning<'tcx> {
407     let mut new_partitioning = Vec::new();
408
409     for codegen_unit in &initial_partitioning.codegen_units[..] {
410         // Collect all items that need to be available in this codegen unit
411         let mut reachable = FxHashSet();
412         for root in codegen_unit.items.keys() {
413             follow_inlining(*root, inlining_map, &mut reachable);
414         }
415
416         let mut new_codegen_unit =
417             CodegenUnit::empty(codegen_unit.name.clone());
418
419         // Add all translation items that are not already there
420         for trans_item in reachable {
421             if let Some(linkage) = codegen_unit.items.get(&trans_item) {
422                 // This is a root, just copy it over
423                 new_codegen_unit.items.insert(trans_item, *linkage);
424             } else {
425                 if initial_partitioning.roots.contains(&trans_item) {
426                     bug!("GloballyShared trans-item inlined into other CGU: \
427                           {:?}", trans_item);
428                 }
429
430                 // This is a cgu-private copy
431                 new_codegen_unit.items.insert(trans_item, llvm::InternalLinkage);
432             }
433         }
434
435         new_partitioning.push(new_codegen_unit);
436     }
437
438     return PostInliningPartitioning(new_partitioning);
439
440     fn follow_inlining<'tcx>(trans_item: TransItem<'tcx>,
441                              inlining_map: &InliningMap<'tcx>,
442                              visited: &mut FxHashSet<TransItem<'tcx>>) {
443         if !visited.insert(trans_item) {
444             return;
445         }
446
447         inlining_map.with_inlining_candidates(trans_item, |target| {
448             follow_inlining(target, inlining_map, visited);
449         });
450     }
451 }
452
453 fn characteristic_def_id_of_trans_item<'a, 'tcx>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
454                                                  trans_item: TransItem<'tcx>)
455                                                  -> Option<DefId> {
456     let tcx = scx.tcx();
457     match trans_item {
458         TransItem::Fn(instance) => {
459             let def_id = match instance.def {
460                 ty::InstanceDef::Item(def_id) => def_id,
461                 ty::InstanceDef::FnPtrShim(..) => return None
462             };
463
464             // If this is a method, we want to put it into the same module as
465             // its self-type. If the self-type does not provide a characteristic
466             // DefId, we use the location of the impl after all.
467
468             if tcx.trait_of_item(def_id).is_some() {
469                 let self_ty = instance.substs.type_at(0);
470                 // This is an implementation of a trait method.
471                 return characteristic_def_id_of_type(self_ty).or(Some(def_id));
472             }
473
474             if let Some(impl_def_id) = tcx.impl_of_method(def_id) {
475                 // This is a method within an inherent impl, find out what the
476                 // self-type is:
477                 let impl_self_ty = common::def_ty(scx, impl_def_id, instance.substs);
478                 if let Some(def_id) = characteristic_def_id_of_type(impl_self_ty) {
479                     return Some(def_id);
480                 }
481             }
482
483             Some(def_id)
484         }
485         TransItem::DropGlue(dg) => characteristic_def_id_of_type(dg.ty()),
486         TransItem::Static(node_id) => Some(tcx.hir.local_def_id(node_id)),
487     }
488 }
489
490 fn compute_codegen_unit_name<'a, 'tcx>(tcx: TyCtxt<'a, 'tcx, 'tcx>,
491                                        def_id: DefId,
492                                        volatile: bool)
493                                        -> InternedString {
494     // Unfortunately we cannot just use the `ty::item_path` infrastructure here
495     // because we need paths to modules and the DefIds of those are not
496     // available anymore for external items.
497     let mut mod_path = String::with_capacity(64);
498
499     let def_path = tcx.def_path(def_id);
500     mod_path.push_str(&tcx.crate_name(def_path.krate).as_str());
501
502     for part in tcx.def_path(def_id)
503                    .data
504                    .iter()
505                    .take_while(|part| {
506                         match part.data {
507                             DefPathData::Module(..) => true,
508                             _ => false,
509                         }
510                     }) {
511         mod_path.push_str("-");
512         mod_path.push_str(&part.data.as_interned_str());
513     }
514
515     if volatile {
516         mod_path.push_str(".volatile");
517     }
518
519     return Symbol::intern(&mod_path[..]).as_str();
520 }
521
522 fn numbered_codegen_unit_name(crate_name: &str, index: usize) -> InternedString {
523     Symbol::intern(&format!("{}{}{}", crate_name, NUMBERED_CODEGEN_UNIT_MARKER, index)).as_str()
524 }
525
526 fn debug_dump<'a, 'b, 'tcx, I>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
527                                label: &str,
528                                cgus: I)
529     where I: Iterator<Item=&'b CodegenUnit<'tcx>>,
530           'tcx: 'a + 'b
531 {
532     if cfg!(debug_assertions) {
533         debug!("{}", label);
534         for cgu in cgus {
535             let symbol_map = SymbolMap::build(scx, cgu.items
536                                                       .iter()
537                                                       .map(|(&trans_item, _)| trans_item));
538             debug!("CodegenUnit {}:", cgu.name);
539
540             for (trans_item, linkage) in &cgu.items {
541                 let symbol_name = symbol_map.get_or_compute(scx, *trans_item);
542                 let symbol_hash_start = symbol_name.rfind('h');
543                 let symbol_hash = symbol_hash_start.map(|i| &symbol_name[i ..])
544                                                    .unwrap_or("<no hash>");
545
546                 debug!(" - {} [{:?}] [{}]",
547                        trans_item.to_string(scx.tcx()),
548                        linkage,
549                        symbol_hash);
550             }
551
552             debug!("");
553         }
554     }
555 }