]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/librustc_trans/partitioning.rs
Auto merge of #41433 - estebank:constructor, r=michaelwoerister
[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_cache::SymbolCache;
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<'a>(&self,
178                                         scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
179                                         symbol_cache: &SymbolCache<'a, 'tcx>)
180                                         -> u64 {
181         let mut state = IchHasher::new();
182         let exported_symbols = scx.exported_symbols();
183         let all_items = self.items_in_deterministic_order(scx.tcx(), symbol_cache);
184         for (item, _) in all_items {
185             let symbol_name = symbol_cache.get(item);
186             symbol_name.len().hash(&mut state);
187             symbol_name.hash(&mut state);
188             let exported = match item {
189                 TransItem::Fn(ref instance) => {
190                     let node_id =
191                         scx.tcx().hir.as_local_node_id(instance.def_id());
192                     node_id.map(|node_id| exported_symbols.contains(&node_id))
193                         .unwrap_or(false)
194                 }
195                 TransItem::Static(node_id) => {
196                     exported_symbols.contains(&node_id)
197                 }
198                 TransItem::GlobalAsm(..) => true,
199             };
200             exported.hash(&mut state);
201         }
202         state.finish().to_smaller_hash()
203     }
204
205     pub fn items_in_deterministic_order<'a>(&self,
206                                             tcx: TyCtxt,
207                                             symbol_cache: &SymbolCache<'a, 'tcx>)
208                                             -> Vec<(TransItem<'tcx>, llvm::Linkage)> {
209         let mut items: Vec<(TransItem<'tcx>, llvm::Linkage)> =
210             self.items.iter().map(|(item, linkage)| (*item, *linkage)).collect();
211
212         // The codegen tests rely on items being process in the same order as
213         // they appear in the file, so for local items, we sort by node_id first
214         items.sort_by(|&(trans_item1, _), &(trans_item2, _)| {
215             let node_id1 = local_node_id(tcx, trans_item1);
216             let node_id2 = local_node_id(tcx, trans_item2);
217
218             match (node_id1, node_id2) {
219                 (None, None) => {
220                     let symbol_name1 = symbol_cache.get(trans_item1);
221                     let symbol_name2 = symbol_cache.get(trans_item2);
222                     symbol_name1.cmp(&symbol_name2)
223                 }
224                 // In the following two cases we can avoid looking up the symbol
225                 (None, Some(_)) => Ordering::Less,
226                 (Some(_), None) => Ordering::Greater,
227                 (Some(node_id1), Some(node_id2)) => {
228                     let ordering = node_id1.cmp(&node_id2);
229
230                     if ordering != Ordering::Equal {
231                         return ordering;
232                     }
233
234                     let symbol_name1 = symbol_cache.get(trans_item1);
235                     let symbol_name2 = symbol_cache.get(trans_item2);
236                     symbol_name1.cmp(&symbol_name2)
237                 }
238             }
239         });
240
241         return items;
242
243         fn local_node_id(tcx: TyCtxt, trans_item: TransItem) -> Option<NodeId> {
244             match trans_item {
245                 TransItem::Fn(instance) => {
246                     tcx.hir.as_local_node_id(instance.def_id())
247                 }
248                 TransItem::Static(node_id) | TransItem::GlobalAsm(node_id) => {
249                     Some(node_id)
250                 }
251             }
252         }
253     }
254 }
255
256
257 // Anything we can't find a proper codegen unit for goes into this.
258 const FALLBACK_CODEGEN_UNIT: &'static str = "__rustc_fallback_codegen_unit";
259
260 pub fn partition<'a, 'tcx, I>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
261                               trans_items: I,
262                               strategy: PartitioningStrategy,
263                               inlining_map: &InliningMap<'tcx>)
264                               -> Vec<CodegenUnit<'tcx>>
265     where I: Iterator<Item = TransItem<'tcx>>
266 {
267     let tcx = scx.tcx();
268
269     // In the first step, we place all regular translation items into their
270     // respective 'home' codegen unit. Regular translation items are all
271     // functions and statics defined in the local crate.
272     let mut initial_partitioning = place_root_translation_items(scx,
273                                                                 trans_items);
274
275     debug_dump(tcx, "INITIAL PARTITONING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
276
277     // If the partitioning should produce a fixed count of codegen units, merge
278     // until that count is reached.
279     if let PartitioningStrategy::FixedUnitCount(count) = strategy {
280         merge_codegen_units(&mut initial_partitioning, count, &tcx.crate_name.as_str());
281
282         debug_dump(tcx, "POST MERGING:", initial_partitioning.codegen_units.iter());
283     }
284
285     // In the next step, we use the inlining map to determine which addtional
286     // translation items have to go into each codegen unit. These additional
287     // translation items can be drop-glue, functions from external crates, and
288     // local functions the definition of which is marked with #[inline].
289     let post_inlining = place_inlined_translation_items(initial_partitioning,
290                                                         inlining_map);
291
292     debug_dump(tcx, "POST INLINING:", post_inlining.0.iter());
293
294     // Finally, sort by codegen unit name, so that we get deterministic results
295     let mut result = post_inlining.0;
296     result.sort_by(|cgu1, cgu2| {
297         (&cgu1.name[..]).cmp(&cgu2.name[..])
298     });
299
300     result
301 }
302
303 struct PreInliningPartitioning<'tcx> {
304     codegen_units: Vec<CodegenUnit<'tcx>>,
305     roots: FxHashSet<TransItem<'tcx>>,
306 }
307
308 struct PostInliningPartitioning<'tcx>(Vec<CodegenUnit<'tcx>>);
309
310 fn place_root_translation_items<'a, 'tcx, I>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
311                                              trans_items: I)
312                                              -> PreInliningPartitioning<'tcx>
313     where I: Iterator<Item = TransItem<'tcx>>
314 {
315     let tcx = scx.tcx();
316     let mut roots = FxHashSet();
317     let mut codegen_units = FxHashMap();
318     let is_incremental_build = tcx.sess.opts.incremental.is_some();
319
320     for trans_item in trans_items {
321         let is_root = trans_item.instantiation_mode(tcx) == InstantiationMode::GloballyShared;
322
323         if is_root {
324             let characteristic_def_id = characteristic_def_id_of_trans_item(scx, trans_item);
325             let is_volatile = is_incremental_build &&
326                               trans_item.is_generic_fn();
327
328             let codegen_unit_name = match characteristic_def_id {
329                 Some(def_id) => compute_codegen_unit_name(tcx, def_id, is_volatile),
330                 None => Symbol::intern(FALLBACK_CODEGEN_UNIT).as_str(),
331             };
332
333             let make_codegen_unit = || {
334                 CodegenUnit::empty(codegen_unit_name.clone())
335             };
336
337             let mut codegen_unit = codegen_units.entry(codegen_unit_name.clone())
338                                                 .or_insert_with(make_codegen_unit);
339
340             let linkage = match trans_item.explicit_linkage(tcx) {
341                 Some(explicit_linkage) => explicit_linkage,
342                 None => {
343                     match trans_item {
344                         TransItem::Fn(..) |
345                         TransItem::Static(..) |
346                         TransItem::GlobalAsm(..) => llvm::ExternalLinkage,
347                     }
348                 }
349             };
350
351             codegen_unit.items.insert(trans_item, linkage);
352             roots.insert(trans_item);
353         }
354     }
355
356     // always ensure we have at least one CGU; otherwise, if we have a
357     // crate with just types (for example), we could wind up with no CGU
358     if codegen_units.is_empty() {
359         let codegen_unit_name = Symbol::intern(FALLBACK_CODEGEN_UNIT).as_str();
360         codegen_units.entry(codegen_unit_name.clone())
361                      .or_insert_with(|| CodegenUnit::empty(codegen_unit_name.clone()));
362     }
363
364     PreInliningPartitioning {
365         codegen_units: codegen_units.into_iter()
366                                     .map(|(_, codegen_unit)| codegen_unit)
367                                     .collect(),
368         roots: roots,
369     }
370 }
371
372 fn merge_codegen_units<'tcx>(initial_partitioning: &mut PreInliningPartitioning<'tcx>,
373                              target_cgu_count: usize,
374                              crate_name: &str) {
375     assert!(target_cgu_count >= 1);
376     let codegen_units = &mut initial_partitioning.codegen_units;
377
378     // Merge the two smallest codegen units until the target size is reached.
379     // Note that "size" is estimated here rather inaccurately as the number of
380     // translation items in a given unit. This could be improved on.
381     while codegen_units.len() > target_cgu_count {
382         // Sort small cgus to the back
383         codegen_units.sort_by_key(|cgu| -(cgu.items.len() as i64));
384         let smallest = codegen_units.pop().unwrap();
385         let second_smallest = codegen_units.last_mut().unwrap();
386
387         for (k, v) in smallest.items.into_iter() {
388             second_smallest.items.insert(k, v);
389         }
390     }
391
392     for (index, cgu) in codegen_units.iter_mut().enumerate() {
393         cgu.name = numbered_codegen_unit_name(crate_name, index);
394     }
395
396     // If the initial partitioning contained less than target_cgu_count to begin
397     // with, we won't have enough codegen units here, so add a empty units until
398     // we reach the target count
399     while codegen_units.len() < target_cgu_count {
400         let index = codegen_units.len();
401         codegen_units.push(
402             CodegenUnit::empty(numbered_codegen_unit_name(crate_name, index)));
403     }
404 }
405
406 fn place_inlined_translation_items<'tcx>(initial_partitioning: PreInliningPartitioning<'tcx>,
407                                          inlining_map: &InliningMap<'tcx>)
408                                          -> PostInliningPartitioning<'tcx> {
409     let mut new_partitioning = Vec::new();
410
411     for codegen_unit in &initial_partitioning.codegen_units[..] {
412         // Collect all items that need to be available in this codegen unit
413         let mut reachable = FxHashSet();
414         for root in codegen_unit.items.keys() {
415             follow_inlining(*root, inlining_map, &mut reachable);
416         }
417
418         let mut new_codegen_unit =
419             CodegenUnit::empty(codegen_unit.name.clone());
420
421         // Add all translation items that are not already there
422         for trans_item in reachable {
423             if let Some(linkage) = codegen_unit.items.get(&trans_item) {
424                 // This is a root, just copy it over
425                 new_codegen_unit.items.insert(trans_item, *linkage);
426             } else {
427                 if initial_partitioning.roots.contains(&trans_item) {
428                     bug!("GloballyShared trans-item inlined into other CGU: \
429                           {:?}", trans_item);
430                 }
431
432                 // This is a cgu-private copy
433                 new_codegen_unit.items.insert(trans_item, llvm::InternalLinkage);
434             }
435         }
436
437         new_partitioning.push(new_codegen_unit);
438     }
439
440     return PostInliningPartitioning(new_partitioning);
441
442     fn follow_inlining<'tcx>(trans_item: TransItem<'tcx>,
443                              inlining_map: &InliningMap<'tcx>,
444                              visited: &mut FxHashSet<TransItem<'tcx>>) {
445         if !visited.insert(trans_item) {
446             return;
447         }
448
449         inlining_map.with_inlining_candidates(trans_item, |target| {
450             follow_inlining(target, inlining_map, visited);
451         });
452     }
453 }
454
455 fn characteristic_def_id_of_trans_item<'a, 'tcx>(scx: &SharedCrateContext<'a, 'tcx>,
456                                                  trans_item: TransItem<'tcx>)
457                                                  -> Option<DefId> {
458     let tcx = scx.tcx();
459     match trans_item {
460         TransItem::Fn(instance) => {
461             let def_id = match instance.def {
462                 ty::InstanceDef::Item(def_id) => def_id,
463                 ty::InstanceDef::FnPtrShim(..) |
464                 ty::InstanceDef::ClosureOnceShim { .. } |
465                 ty::InstanceDef::Intrinsic(..) |
466                 ty::InstanceDef::DropGlue(..) |
467                 ty::InstanceDef::Virtual(..) => return None
468             };
469
470             // If this is a method, we want to put it into the same module as
471             // its self-type. If the self-type does not provide a characteristic
472             // DefId, we use the location of the impl after all.
473
474             if tcx.trait_of_item(def_id).is_some() {
475                 let self_ty = instance.substs.type_at(0);
476                 // This is an implementation of a trait method.
477                 return characteristic_def_id_of_type(self_ty).or(Some(def_id));
478             }
479
480             if let Some(impl_def_id) = tcx.impl_of_method(def_id) {
481                 // This is a method within an inherent impl, find out what the
482                 // self-type is:
483                 let impl_self_ty = common::def_ty(scx, impl_def_id, instance.substs);
484                 if let Some(def_id) = characteristic_def_id_of_type(impl_self_ty) {
485                     return Some(def_id);
486                 }
487             }
488
489             Some(def_id)
490         }
491         TransItem::Static(node_id) |
492         TransItem::GlobalAsm(node_id) => Some(tcx.hir.local_def_id(node_id)),
493     }
494 }
495
496 fn compute_codegen_unit_name<'a, 'tcx>(tcx: TyCtxt<'a, 'tcx, 'tcx>,
497                                        def_id: DefId,
498                                        volatile: bool)
499                                        -> InternedString {
500     // Unfortunately we cannot just use the `ty::item_path` infrastructure here
501     // because we need paths to modules and the DefIds of those are not
502     // available anymore for external items.
503     let mut mod_path = String::with_capacity(64);
504
505     let def_path = tcx.def_path(def_id);
506     mod_path.push_str(&tcx.crate_name(def_path.krate).as_str());
507
508     for part in tcx.def_path(def_id)
509                    .data
510                    .iter()
511                    .take_while(|part| {
512                         match part.data {
513                             DefPathData::Module(..) => true,
514                             _ => false,
515                         }
516                     }) {
517         mod_path.push_str("-");
518         mod_path.push_str(&part.data.as_interned_str());
519     }
520
521     if volatile {
522         mod_path.push_str(".volatile");
523     }
524
525     return Symbol::intern(&mod_path[..]).as_str();
526 }
527
528 fn numbered_codegen_unit_name(crate_name: &str, index: usize) -> InternedString {
529     Symbol::intern(&format!("{}{}{}", crate_name, NUMBERED_CODEGEN_UNIT_MARKER, index)).as_str()
530 }
531
532 fn debug_dump<'a, 'b, 'tcx, I>(tcx: TyCtxt<'a, 'tcx, 'tcx>,
533                                label: &str,
534                                cgus: I)
535     where I: Iterator<Item=&'b CodegenUnit<'tcx>>,
536           'tcx: 'a + 'b
537 {
538     if cfg!(debug_assertions) {
539         debug!("{}", label);
540         let symbol_cache = SymbolCache::new(tcx);
541         for cgu in cgus {
542             debug!("CodegenUnit {}:", cgu.name);
543
544             for (trans_item, linkage) in &cgu.items {
545                 let symbol_name = symbol_cache.get(*trans_item);
546                 let symbol_hash_start = symbol_name.rfind('h');
547                 let symbol_hash = symbol_hash_start.map(|i| &symbol_name[i ..])
548                                                    .unwrap_or("<no hash>");
549
550                 debug!(" - {} [{:?}] [{}]",
551                        trans_item.to_string(tcx),
552                        linkage,
553                        symbol_hash);
554             }
555
556             debug!("");
557         }
558     }
559 }