]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/tools/lld/ELF/ICF.cpp
Add compiler-rt's libFuzzer, not connected to buildworld yet.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / tools / lld / ELF / ICF.cpp
1 //===- ICF.cpp ------------------------------------------------------------===//
2 //
3 //                             The LLVM Linker
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // ICF is short for Identical Code Folding. This is a size optimization to
11 // identify and merge two or more read-only sections (typically functions)
12 // that happened to have the same contents. It usually reduces output size
13 // by a few percent.
14 //
15 // In ICF, two sections are considered identical if they have the same
16 // section flags, section data, and relocations. Relocations are tricky,
17 // because two relocations are considered the same if they have the same
18 // relocation types, values, and if they point to the same sections *in
19 // terms of ICF*.
20 //
21 // Here is an example. If foo and bar defined below are compiled to the
22 // same machine instructions, ICF can and should merge the two, although
23 // their relocations point to each other.
24 //
25 //   void foo() { bar(); }
26 //   void bar() { foo(); }
27 //
28 // If you merge the two, their relocations point to the same section and
29 // thus you know they are mergeable, but how do you know they are
30 // mergeable in the first place? This is not an easy problem to solve.
31 //
32 // What we are doing in LLD is to partition sections into equivalence
33 // classes. Sections in the same equivalence class when the algorithm
34 // terminates are considered identical. Here are details:
35 //
36 // 1. First, we partition sections using their hash values as keys. Hash
37 //    values contain section types, section contents and numbers of
38 //    relocations. During this step, relocation targets are not taken into
39 //    account. We just put sections that apparently differ into different
40 //    equivalence classes.
41 //
42 // 2. Next, for each equivalence class, we visit sections to compare
43 //    relocation targets. Relocation targets are considered equivalent if
44 //    their targets are in the same equivalence class. Sections with
45 //    different relocation targets are put into different equivalence
46 //    clases.
47 //
48 // 3. If we split an equivalence class in step 2, two relocations
49 //    previously target the same equivalence class may now target
50 //    different equivalence classes. Therefore, we repeat step 2 until a
51 //    convergence is obtained.
52 //
53 // 4. For each equivalence class C, pick an arbitrary section in C, and
54 //    merge all the other sections in C with it.
55 //
56 // For small programs, this algorithm needs 3-5 iterations. For large
57 // programs such as Chromium, it takes more than 20 iterations.
58 //
59 // This algorithm was mentioned as an "optimistic algorithm" in [1],
60 // though gold implements a different algorithm than this.
61 //
62 // We parallelize each step so that multiple threads can work on different
63 // equivalence classes concurrently. That gave us a large performance
64 // boost when applying ICF on large programs. For example, MSVC link.exe
65 // or GNU gold takes 10-20 seconds to apply ICF on Chromium, whose output
66 // size is about 1.5 GB, but LLD can finish it in less than 2 seconds on a
67 // 2.8 GHz 40 core machine. Even without threading, LLD's ICF is still
68 // faster than MSVC or gold though.
69 //
70 // [1] Safe ICF: Pointer Safe and Unwinding aware Identical Code Folding
71 // in the Gold Linker
72 // http://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en//pubs/archive/36912.pdf
73 //
74 //===----------------------------------------------------------------------===//
75
76 #include "ICF.h"
77 #include "Config.h"
78 #include "SymbolTable.h"
79 #include "Symbols.h"
80 #include "SyntheticSections.h"
81 #include "Writer.h"
82 #include "lld/Common/Threads.h"
83 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
84 #include "llvm/BinaryFormat/ELF.h"
85 #include "llvm/Object/ELF.h"
86 #include "llvm/Support/xxhash.h"
87 #include <algorithm>
88 #include <atomic>
89
90 using namespace lld;
91 using namespace lld::elf;
92 using namespace llvm;
93 using namespace llvm::ELF;
94 using namespace llvm::object;
95
96 namespace {
97 template <class ELFT> class ICF {
98 public:
99   void run();
100
101 private:
102   void segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant);
103
104   template <class RelTy>
105   bool constantEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
106                   const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
107
108   template <class RelTy>
109   bool variableEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
110                   const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
111
112   bool equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B);
113   bool equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B);
114
115   size_t findBoundary(size_t Begin, size_t End);
116
117   void forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
118                          llvm::function_ref<void(size_t, size_t)> Fn);
119
120   void forEachClass(llvm::function_ref<void(size_t, size_t)> Fn);
121
122   std::vector<InputSection *> Sections;
123
124   // We repeat the main loop while `Repeat` is true.
125   std::atomic<bool> Repeat;
126
127   // The main loop counter.
128   int Cnt = 0;
129
130   // We have two locations for equivalence classes. On the first iteration
131   // of the main loop, Class[0] has a valid value, and Class[1] contains
132   // garbage. We read equivalence classes from slot 0 and write to slot 1.
133   // So, Class[0] represents the current class, and Class[1] represents
134   // the next class. On each iteration, we switch their roles and use them
135   // alternately.
136   //
137   // Why are we doing this? Recall that other threads may be working on
138   // other equivalence classes in parallel. They may read sections that we
139   // are updating. We cannot update equivalence classes in place because
140   // it breaks the invariance that all possibly-identical sections must be
141   // in the same equivalence class at any moment. In other words, the for
142   // loop to update equivalence classes is not atomic, and that is
143   // observable from other threads. By writing new classes to other
144   // places, we can keep the invariance.
145   //
146   // Below, `Current` has the index of the current class, and `Next` has
147   // the index of the next class. If threading is enabled, they are either
148   // (0, 1) or (1, 0).
149   //
150   // Note on single-thread: if that's the case, they are always (0, 0)
151   // because we can safely read the next class without worrying about race
152   // conditions. Using the same location makes this algorithm converge
153   // faster because it uses results of the same iteration earlier.
154   int Current = 0;
155   int Next = 0;
156 };
157 }
158
159 // Returns true if section S is subject of ICF.
160 static bool isEligible(InputSection *S) {
161   if (!S->Live || S->KeepUnique || !(S->Flags & SHF_ALLOC))
162     return false;
163
164   // Don't merge writable sections. .data.rel.ro sections are marked as writable
165   // but are semantically read-only.
166   if ((S->Flags & SHF_WRITE) && S->Name != ".data.rel.ro" &&
167       !S->Name.startswith(".data.rel.ro."))
168     return false;
169
170   // SHF_LINK_ORDER sections are ICF'd as a unit with their dependent sections,
171   // so we don't consider them for ICF individually.
172   if (S->Flags & SHF_LINK_ORDER)
173     return false;
174
175   // Don't merge synthetic sections as their Data member is not valid and empty.
176   // The Data member needs to be valid for ICF as it is used by ICF to determine
177   // the equality of section contents.
178   if (isa<SyntheticSection>(S))
179     return false;
180
181   // .init and .fini contains instructions that must be executed to initialize
182   // and finalize the process. They cannot and should not be merged.
183   if (S->Name == ".init" || S->Name == ".fini")
184     return false;
185
186   // A user program may enumerate sections named with a C identifier using
187   // __start_* and __stop_* symbols. We cannot ICF any such sections because
188   // that could change program semantics.
189   if (isValidCIdentifier(S->Name))
190     return false;
191
192   return true;
193 }
194
195 // Split an equivalence class into smaller classes.
196 template <class ELFT>
197 void ICF<ELFT>::segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant) {
198   // This loop rearranges sections in [Begin, End) so that all sections
199   // that are equal in terms of equals{Constant,Variable} are contiguous
200   // in [Begin, End).
201   //
202   // The algorithm is quadratic in the worst case, but that is not an
203   // issue in practice because the number of the distinct sections in
204   // each range is usually very small.
205
206   while (Begin < End) {
207     // Divide [Begin, End) into two. Let Mid be the start index of the
208     // second group.
209     auto Bound =
210         std::stable_partition(Sections.begin() + Begin + 1,
211                               Sections.begin() + End, [&](InputSection *S) {
212                                 if (Constant)
213                                   return equalsConstant(Sections[Begin], S);
214                                 return equalsVariable(Sections[Begin], S);
215                               });
216     size_t Mid = Bound - Sections.begin();
217
218     // Now we split [Begin, End) into [Begin, Mid) and [Mid, End) by
219     // updating the sections in [Begin, Mid). We use Mid as an equivalence
220     // class ID because every group ends with a unique index.
221     for (size_t I = Begin; I < Mid; ++I)
222       Sections[I]->Class[Next] = Mid;
223
224     // If we created a group, we need to iterate the main loop again.
225     if (Mid != End)
226       Repeat = true;
227
228     Begin = Mid;
229   }
230 }
231
232 // Compare two lists of relocations.
233 template <class ELFT>
234 template <class RelTy>
235 bool ICF<ELFT>::constantEq(const InputSection *SecA, ArrayRef<RelTy> RA,
236                            const InputSection *SecB, ArrayRef<RelTy> RB) {
237   for (size_t I = 0; I < RA.size(); ++I) {
238     if (RA[I].r_offset != RB[I].r_offset ||
239         RA[I].getType(Config->IsMips64EL) != RB[I].getType(Config->IsMips64EL))
240       return false;
241
242     uint64_t AddA = getAddend<ELFT>(RA[I]);
243     uint64_t AddB = getAddend<ELFT>(RB[I]);
244
245     Symbol &SA = SecA->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RA[I]);
246     Symbol &SB = SecB->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RB[I]);
247     if (&SA == &SB) {
248       if (AddA == AddB)
249         continue;
250       return false;
251     }
252
253     auto *DA = dyn_cast<Defined>(&SA);
254     auto *DB = dyn_cast<Defined>(&SB);
255     if (!DA || !DB)
256       return false;
257
258     // Relocations referring to absolute symbols are constant-equal if their
259     // values are equal.
260     if (!DA->Section && !DB->Section && DA->Value + AddA == DB->Value + AddB)
261       continue;
262     if (!DA->Section || !DB->Section)
263       return false;
264
265     if (DA->Section->kind() != DB->Section->kind())
266       return false;
267
268     // Relocations referring to InputSections are constant-equal if their
269     // section offsets are equal.
270     if (isa<InputSection>(DA->Section)) {
271       if (DA->Value + AddA == DB->Value + AddB)
272         continue;
273       return false;
274     }
275
276     // Relocations referring to MergeInputSections are constant-equal if their
277     // offsets in the output section are equal.
278     auto *X = dyn_cast<MergeInputSection>(DA->Section);
279     if (!X)
280       return false;
281     auto *Y = cast<MergeInputSection>(DB->Section);
282     if (X->getParent() != Y->getParent())
283       return false;
284
285     uint64_t OffsetA =
286         SA.isSection() ? X->getOffset(AddA) : X->getOffset(DA->Value) + AddA;
287     uint64_t OffsetB =
288         SB.isSection() ? Y->getOffset(AddB) : Y->getOffset(DB->Value) + AddB;
289     if (OffsetA != OffsetB)
290       return false;
291   }
292
293   return true;
294 }
295
296 // Compare "non-moving" part of two InputSections, namely everything
297 // except relocation targets.
298 template <class ELFT>
299 bool ICF<ELFT>::equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B) {
300   if (A->NumRelocations != B->NumRelocations || A->Flags != B->Flags ||
301       A->getSize() != B->getSize() || A->Data != B->Data)
302     return false;
303
304   // If two sections have different output sections, we cannot merge them.
305   // FIXME: This doesn't do the right thing in the case where there is a linker
306   // script. We probably need to move output section assignment before ICF to
307   // get the correct behaviour here.
308   if (getOutputSectionName(A) != getOutputSectionName(B))
309     return false;
310
311   if (A->AreRelocsRela)
312     return constantEq(A, A->template relas<ELFT>(), B,
313                       B->template relas<ELFT>());
314   return constantEq(A, A->template rels<ELFT>(), B, B->template rels<ELFT>());
315 }
316
317 // Compare two lists of relocations. Returns true if all pairs of
318 // relocations point to the same section in terms of ICF.
319 template <class ELFT>
320 template <class RelTy>
321 bool ICF<ELFT>::variableEq(const InputSection *SecA, ArrayRef<RelTy> RA,
322                            const InputSection *SecB, ArrayRef<RelTy> RB) {
323   assert(RA.size() == RB.size());
324
325   for (size_t I = 0; I < RA.size(); ++I) {
326     // The two sections must be identical.
327     Symbol &SA = SecA->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RA[I]);
328     Symbol &SB = SecB->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RB[I]);
329     if (&SA == &SB)
330       continue;
331
332     auto *DA = cast<Defined>(&SA);
333     auto *DB = cast<Defined>(&SB);
334
335     // We already dealt with absolute and non-InputSection symbols in
336     // constantEq, and for InputSections we have already checked everything
337     // except the equivalence class.
338     if (!DA->Section)
339       continue;
340     auto *X = dyn_cast<InputSection>(DA->Section);
341     if (!X)
342       continue;
343     auto *Y = cast<InputSection>(DB->Section);
344
345     // Ineligible sections are in the special equivalence class 0.
346     // They can never be the same in terms of the equivalence class.
347     if (X->Class[Current] == 0)
348       return false;
349     if (X->Class[Current] != Y->Class[Current])
350       return false;
351   };
352
353   return true;
354 }
355
356 // Compare "moving" part of two InputSections, namely relocation targets.
357 template <class ELFT>
358 bool ICF<ELFT>::equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B) {
359   if (A->AreRelocsRela)
360     return variableEq(A, A->template relas<ELFT>(), B,
361                       B->template relas<ELFT>());
362   return variableEq(A, A->template rels<ELFT>(), B, B->template rels<ELFT>());
363 }
364
365 template <class ELFT> size_t ICF<ELFT>::findBoundary(size_t Begin, size_t End) {
366   uint32_t Class = Sections[Begin]->Class[Current];
367   for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I)
368     if (Class != Sections[I]->Class[Current])
369       return I;
370   return End;
371 }
372
373 // Sections in the same equivalence class are contiguous in Sections
374 // vector. Therefore, Sections vector can be considered as contiguous
375 // groups of sections, grouped by the class.
376 //
377 // This function calls Fn on every group within [Begin, End).
378 template <class ELFT>
379 void ICF<ELFT>::forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
380                                   llvm::function_ref<void(size_t, size_t)> Fn) {
381   while (Begin < End) {
382     size_t Mid = findBoundary(Begin, End);
383     Fn(Begin, Mid);
384     Begin = Mid;
385   }
386 }
387
388 // Call Fn on each equivalence class.
389 template <class ELFT>
390 void ICF<ELFT>::forEachClass(llvm::function_ref<void(size_t, size_t)> Fn) {
391   // If threading is disabled or the number of sections are
392   // too small to use threading, call Fn sequentially.
393   if (!ThreadsEnabled || Sections.size() < 1024) {
394     forEachClassRange(0, Sections.size(), Fn);
395     ++Cnt;
396     return;
397   }
398
399   Current = Cnt % 2;
400   Next = (Cnt + 1) % 2;
401
402   // Shard into non-overlapping intervals, and call Fn in parallel.
403   // The sharding must be completed before any calls to Fn are made
404   // so that Fn can modify the Chunks in its shard without causing data
405   // races.
406   const size_t NumShards = 256;
407   size_t Step = Sections.size() / NumShards;
408   size_t Boundaries[NumShards + 1];
409   Boundaries[0] = 0;
410   Boundaries[NumShards] = Sections.size();
411
412   parallelForEachN(1, NumShards, [&](size_t I) {
413     Boundaries[I] = findBoundary((I - 1) * Step, Sections.size());
414   });
415
416   parallelForEachN(1, NumShards + 1, [&](size_t I) {
417     if (Boundaries[I - 1] < Boundaries[I])
418       forEachClassRange(Boundaries[I - 1], Boundaries[I], Fn);
419   });
420   ++Cnt;
421 }
422
423 static void print(const Twine &S) {
424   if (Config->PrintIcfSections)
425     message(S);
426 }
427
428 // The main function of ICF.
429 template <class ELFT> void ICF<ELFT>::run() {
430   // Collect sections to merge.
431   for (InputSectionBase *Sec : InputSections)
432     if (auto *S = dyn_cast<InputSection>(Sec))
433       if (isEligible(S))
434         Sections.push_back(S);
435
436   // Initially, we use hash values to partition sections.
437   parallelForEach(Sections, [&](InputSection *S) {
438     // Set MSB to 1 to avoid collisions with non-hash IDs.
439     S->Class[0] = xxHash64(S->Data) | (1U << 31);
440   });
441
442   // From now on, sections in Sections vector are ordered so that sections
443   // in the same equivalence class are consecutive in the vector.
444   std::stable_sort(Sections.begin(), Sections.end(),
445                    [](InputSection *A, InputSection *B) {
446                      return A->Class[0] < B->Class[0];
447                    });
448
449   // Compare static contents and assign unique IDs for each static content.
450   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, true); });
451
452   // Split groups by comparing relocations until convergence is obtained.
453   do {
454     Repeat = false;
455     forEachClass(
456         [&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, false); });
457   } while (Repeat);
458
459   log("ICF needed " + Twine(Cnt) + " iterations");
460
461   // Merge sections by the equivalence class.
462   forEachClassRange(0, Sections.size(), [&](size_t Begin, size_t End) {
463     if (End - Begin == 1)
464       return;
465     print("selected section " + toString(Sections[Begin]));
466     for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I) {
467       print("  removing identical section " + toString(Sections[I]));
468       Sections[Begin]->replace(Sections[I]);
469
470       // At this point we know sections merged are fully identical and hence
471       // we want to remove duplicate implicit dependencies such as link order
472       // and relocation sections.
473       for (InputSection *IS : Sections[I]->DependentSections)
474         IS->Live = false;
475     }
476   });
477 }
478
479 // ICF entry point function.
480 template <class ELFT> void elf::doIcf() { ICF<ELFT>().run(); }
481
482 template void elf::doIcf<ELF32LE>();
483 template void elf::doIcf<ELF32BE>();
484 template void elf::doIcf<ELF64LE>();
485 template void elf::doIcf<ELF64BE>();