]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/tools/lld/ELF/ICF.cpp
Merge lld trunk r321017 to contrib/llvm/tools/lld.
[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 "lld/Common/Threads.h"
81 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
82 #include "llvm/BinaryFormat/ELF.h"
83 #include "llvm/Object/ELF.h"
84 #include <algorithm>
85 #include <atomic>
86
87 using namespace lld;
88 using namespace lld::elf;
89 using namespace llvm;
90 using namespace llvm::ELF;
91 using namespace llvm::object;
92
93 namespace {
94 template <class ELFT> class ICF {
95 public:
96   void run();
97
98 private:
99   void segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant);
100
101   template <class RelTy>
102   bool constantEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
103                   const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
104
105   template <class RelTy>
106   bool variableEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
107                   const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
108
109   bool equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B);
110   bool equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B);
111
112   size_t findBoundary(size_t Begin, size_t End);
113
114   void forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
115                          std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
116
117   void forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
118
119   std::vector<InputSection *> Sections;
120
121   // We repeat the main loop while `Repeat` is true.
122   std::atomic<bool> Repeat;
123
124   // The main loop counter.
125   int Cnt = 0;
126
127   // We have two locations for equivalence classes. On the first iteration
128   // of the main loop, Class[0] has a valid value, and Class[1] contains
129   // garbage. We read equivalence classes from slot 0 and write to slot 1.
130   // So, Class[0] represents the current class, and Class[1] represents
131   // the next class. On each iteration, we switch their roles and use them
132   // alternately.
133   //
134   // Why are we doing this? Recall that other threads may be working on
135   // other equivalence classes in parallel. They may read sections that we
136   // are updating. We cannot update equivalence classes in place because
137   // it breaks the invariance that all possibly-identical sections must be
138   // in the same equivalence class at any moment. In other words, the for
139   // loop to update equivalence classes is not atomic, and that is
140   // observable from other threads. By writing new classes to other
141   // places, we can keep the invariance.
142   //
143   // Below, `Current` has the index of the current class, and `Next` has
144   // the index of the next class. If threading is enabled, they are either
145   // (0, 1) or (1, 0).
146   //
147   // Note on single-thread: if that's the case, they are always (0, 0)
148   // because we can safely read the next class without worrying about race
149   // conditions. Using the same location makes this algorithm converge
150   // faster because it uses results of the same iteration earlier.
151   int Current = 0;
152   int Next = 0;
153 };
154 }
155
156 // Returns a hash value for S. Note that the information about
157 // relocation targets is not included in the hash value.
158 template <class ELFT> static uint32_t getHash(InputSection *S) {
159   return hash_combine(S->Flags, S->getSize(), S->NumRelocations, S->Data);
160 }
161
162 // Returns true if section S is subject of ICF.
163 static bool isEligible(InputSection *S) {
164   // Don't merge read only data sections unless --icf-data was passed.
165   if (!(S->Flags & SHF_EXECINSTR) && !Config->ICFData)
166     return false;
167
168   // .init and .fini contains instructions that must be executed to
169   // initialize and finalize the process. They cannot and should not
170   // be merged.
171   return S->Live && (S->Flags & SHF_ALLOC) && !(S->Flags & SHF_WRITE) &&
172          S->Name != ".init" && S->Name != ".fini";
173 }
174
175 // Split an equivalence class into smaller classes.
176 template <class ELFT>
177 void ICF<ELFT>::segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant) {
178   // This loop rearranges sections in [Begin, End) so that all sections
179   // that are equal in terms of equals{Constant,Variable} are contiguous
180   // in [Begin, End).
181   //
182   // The algorithm is quadratic in the worst case, but that is not an
183   // issue in practice because the number of the distinct sections in
184   // each range is usually very small.
185
186   while (Begin < End) {
187     // Divide [Begin, End) into two. Let Mid be the start index of the
188     // second group.
189     auto Bound =
190         std::stable_partition(Sections.begin() + Begin + 1,
191                               Sections.begin() + End, [&](InputSection *S) {
192                                 if (Constant)
193                                   return equalsConstant(Sections[Begin], S);
194                                 return equalsVariable(Sections[Begin], S);
195                               });
196     size_t Mid = Bound - Sections.begin();
197
198     // Now we split [Begin, End) into [Begin, Mid) and [Mid, End) by
199     // updating the sections in [Begin, Mid). We use Mid as an equivalence
200     // class ID because every group ends with a unique index.
201     for (size_t I = Begin; I < Mid; ++I)
202       Sections[I]->Class[Next] = Mid;
203
204     // If we created a group, we need to iterate the main loop again.
205     if (Mid != End)
206       Repeat = true;
207
208     Begin = Mid;
209   }
210 }
211
212 // Compare two lists of relocations.
213 template <class ELFT>
214 template <class RelTy>
215 bool ICF<ELFT>::constantEq(const InputSection *SecA, ArrayRef<RelTy> RA,
216                            const InputSection *SecB, ArrayRef<RelTy> RB) {
217   if (RA.size() != RB.size())
218     return false;
219
220   for (size_t I = 0; I < RA.size(); ++I) {
221     if (RA[I].r_offset != RB[I].r_offset ||
222         RA[I].getType(Config->IsMips64EL) != RB[I].getType(Config->IsMips64EL))
223       return false;
224
225     uint64_t AddA = getAddend<ELFT>(RA[I]);
226     uint64_t AddB = getAddend<ELFT>(RB[I]);
227
228     Symbol &SA = SecA->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RA[I]);
229     Symbol &SB = SecB->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RB[I]);
230     if (&SA == &SB) {
231       if (AddA == AddB)
232         continue;
233       return false;
234     }
235
236     auto *DA = dyn_cast<Defined>(&SA);
237     auto *DB = dyn_cast<Defined>(&SB);
238     if (!DA || !DB)
239       return false;
240
241     // Relocations referring to absolute symbols are constant-equal if their
242     // values are equal.
243     if (!DA->Section && !DB->Section && DA->Value + AddA == DB->Value + AddB)
244       continue;
245     if (!DA->Section || !DB->Section)
246       return false;
247
248     if (DA->Section->kind() != DB->Section->kind())
249       return false;
250
251     // Relocations referring to InputSections are constant-equal if their
252     // section offsets are equal.
253     if (isa<InputSection>(DA->Section)) {
254       if (DA->Value + AddA == DB->Value + AddB)
255         continue;
256       return false;
257     }
258
259     // Relocations referring to MergeInputSections are constant-equal if their
260     // offsets in the output section are equal.
261     auto *X = dyn_cast<MergeInputSection>(DA->Section);
262     if (!X)
263       return false;
264     auto *Y = cast<MergeInputSection>(DB->Section);
265     if (X->getParent() != Y->getParent())
266       return false;
267
268     uint64_t OffsetA =
269         SA.isSection() ? X->getOffset(AddA) : X->getOffset(DA->Value) + AddA;
270     uint64_t OffsetB =
271         SB.isSection() ? Y->getOffset(AddB) : Y->getOffset(DB->Value) + AddB;
272     if (OffsetA != OffsetB)
273       return false;
274   }
275
276   return true;
277 }
278
279 // Compare "non-moving" part of two InputSections, namely everything
280 // except relocation targets.
281 template <class ELFT>
282 bool ICF<ELFT>::equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B) {
283   if (A->NumRelocations != B->NumRelocations || A->Flags != B->Flags ||
284       A->getSize() != B->getSize() || A->Data != B->Data)
285     return false;
286
287   if (A->AreRelocsRela)
288     return constantEq(A, A->template relas<ELFT>(), B,
289                       B->template relas<ELFT>());
290   return constantEq(A, A->template rels<ELFT>(), B, B->template rels<ELFT>());
291 }
292
293 // Compare two lists of relocations. Returns true if all pairs of
294 // relocations point to the same section in terms of ICF.
295 template <class ELFT>
296 template <class RelTy>
297 bool ICF<ELFT>::variableEq(const InputSection *SecA, ArrayRef<RelTy> RA,
298                            const InputSection *SecB, ArrayRef<RelTy> RB) {
299   assert(RA.size() == RB.size());
300
301   for (size_t I = 0; I < RA.size(); ++I) {
302     // The two sections must be identical.
303     Symbol &SA = SecA->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RA[I]);
304     Symbol &SB = SecB->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RB[I]);
305     if (&SA == &SB)
306       continue;
307
308     auto *DA = cast<Defined>(&SA);
309     auto *DB = cast<Defined>(&SB);
310
311     // We already dealt with absolute and non-InputSection symbols in
312     // constantEq, and for InputSections we have already checked everything
313     // except the equivalence class.
314     if (!DA->Section)
315       continue;
316     auto *X = dyn_cast<InputSection>(DA->Section);
317     if (!X)
318       continue;
319     auto *Y = cast<InputSection>(DB->Section);
320
321     // Ineligible sections are in the special equivalence class 0.
322     // They can never be the same in terms of the equivalence class.
323     if (X->Class[Current] == 0)
324       return false;
325     if (X->Class[Current] != Y->Class[Current])
326       return false;
327   };
328
329   return true;
330 }
331
332 // Compare "moving" part of two InputSections, namely relocation targets.
333 template <class ELFT>
334 bool ICF<ELFT>::equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B) {
335   if (A->AreRelocsRela)
336     return variableEq(A, A->template relas<ELFT>(), B,
337                       B->template relas<ELFT>());
338   return variableEq(A, A->template rels<ELFT>(), B, B->template rels<ELFT>());
339 }
340
341 template <class ELFT> size_t ICF<ELFT>::findBoundary(size_t Begin, size_t End) {
342   uint32_t Class = Sections[Begin]->Class[Current];
343   for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I)
344     if (Class != Sections[I]->Class[Current])
345       return I;
346   return End;
347 }
348
349 // Sections in the same equivalence class are contiguous in Sections
350 // vector. Therefore, Sections vector can be considered as contiguous
351 // groups of sections, grouped by the class.
352 //
353 // This function calls Fn on every group that starts within [Begin, End).
354 // Note that a group must start in that range but doesn't necessarily
355 // have to end before End.
356 template <class ELFT>
357 void ICF<ELFT>::forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
358                                   std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
359   if (Begin > 0)
360     Begin = findBoundary(Begin - 1, End);
361
362   while (Begin < End) {
363     size_t Mid = findBoundary(Begin, Sections.size());
364     Fn(Begin, Mid);
365     Begin = Mid;
366   }
367 }
368
369 // Call Fn on each equivalence class.
370 template <class ELFT>
371 void ICF<ELFT>::forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
372   // If threading is disabled or the number of sections are
373   // too small to use threading, call Fn sequentially.
374   if (!ThreadsEnabled || Sections.size() < 1024) {
375     forEachClassRange(0, Sections.size(), Fn);
376     ++Cnt;
377     return;
378   }
379
380   Current = Cnt % 2;
381   Next = (Cnt + 1) % 2;
382
383   // Split sections into 256 shards and call Fn in parallel.
384   size_t NumShards = 256;
385   size_t Step = Sections.size() / NumShards;
386   parallelForEachN(0, NumShards, [&](size_t I) {
387     size_t End = (I == NumShards - 1) ? Sections.size() : (I + 1) * Step;
388     forEachClassRange(I * Step, End, Fn);
389   });
390   ++Cnt;
391 }
392
393 // The main function of ICF.
394 template <class ELFT> void ICF<ELFT>::run() {
395   // Collect sections to merge.
396   for (InputSectionBase *Sec : InputSections)
397     if (auto *S = dyn_cast<InputSection>(Sec))
398       if (isEligible(S))
399         Sections.push_back(S);
400
401   // Initially, we use hash values to partition sections.
402   parallelForEach(Sections, [&](InputSection *S) {
403     // Set MSB to 1 to avoid collisions with non-hash IDs.
404     S->Class[0] = getHash<ELFT>(S) | (1 << 31);
405   });
406
407   // From now on, sections in Sections vector are ordered so that sections
408   // in the same equivalence class are consecutive in the vector.
409   std::stable_sort(Sections.begin(), Sections.end(),
410                    [](InputSection *A, InputSection *B) {
411                      return A->Class[0] < B->Class[0];
412                    });
413
414   // Compare static contents and assign unique IDs for each static content.
415   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, true); });
416
417   // Split groups by comparing relocations until convergence is obtained.
418   do {
419     Repeat = false;
420     forEachClass(
421         [&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, false); });
422   } while (Repeat);
423
424   log("ICF needed " + Twine(Cnt) + " iterations");
425
426   // Merge sections by the equivalence class.
427   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) {
428     if (End - Begin == 1)
429       return;
430
431     log("selected " + Sections[Begin]->Name);
432     for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I) {
433       log("  removed " + Sections[I]->Name);
434       Sections[Begin]->replace(Sections[I]);
435     }
436   });
437
438   // Mark ARM Exception Index table sections that refer to folded code
439   // sections as not live. These sections have an implict dependency
440   // via the link order dependency.
441   if (Config->EMachine == EM_ARM)
442     for (InputSectionBase *Sec : InputSections)
443       if (auto *S = dyn_cast<InputSection>(Sec))
444         if (S->Flags & SHF_LINK_ORDER)
445           S->Live = S->getLinkOrderDep()->Live;
446 }
447
448 // ICF entry point function.
449 template <class ELFT> void elf::doIcf() { ICF<ELFT>().run(); }
450
451 template void elf::doIcf<ELF32LE>();
452 template void elf::doIcf<ELF32BE>();
453 template void elf::doIcf<ELF64LE>();
454 template void elf::doIcf<ELF64BE>();