]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/tools/lld/ELF/ICF.cpp
Merge ^/head r316992 through r317215.
[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 "Threads.h"
80 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
81 #include "llvm/Object/ELF.h"
82 #include "llvm/Support/ELF.h"
83 #include <algorithm>
84 #include <atomic>
85
86 using namespace lld;
87 using namespace lld::elf;
88 using namespace llvm;
89 using namespace llvm::ELF;
90 using namespace llvm::object;
91
92 namespace {
93 template <class ELFT> class ICF {
94 public:
95   void run();
96
97 private:
98   void segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant);
99
100   template <class RelTy>
101   bool constantEq(ArrayRef<RelTy> RelsA, ArrayRef<RelTy> RelsB);
102
103   template <class RelTy>
104   bool variableEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
105                   const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
106
107   bool equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B);
108   bool equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B);
109
110   size_t findBoundary(size_t Begin, size_t End);
111
112   void forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
113                          std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
114
115   void forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
116
117   std::vector<InputSection *> Sections;
118
119   // We repeat the main loop while `Repeat` is true.
120   std::atomic<bool> Repeat;
121
122   // The main loop counter.
123   int Cnt = 0;
124
125   // We have two locations for equivalence classes. On the first iteration
126   // of the main loop, Class[0] has a valid value, and Class[1] contains
127   // garbage. We read equivalence classes from slot 0 and write to slot 1.
128   // So, Class[0] represents the current class, and Class[1] represents
129   // the next class. On each iteration, we switch their roles and use them
130   // alternately.
131   //
132   // Why are we doing this? Recall that other threads may be working on
133   // other equivalence classes in parallel. They may read sections that we
134   // are updating. We cannot update equivalence classes in place because
135   // it breaks the invariance that all possibly-identical sections must be
136   // in the same equivalence class at any moment. In other words, the for
137   // loop to update equivalence classes is not atomic, and that is
138   // observable from other threads. By writing new classes to other
139   // places, we can keep the invariance.
140   //
141   // Below, `Current` has the index of the current class, and `Next` has
142   // the index of the next class. If threading is enabled, they are either
143   // (0, 1) or (1, 0).
144   //
145   // Note on single-thread: if that's the case, they are always (0, 0)
146   // because we can safely read the next class without worrying about race
147   // conditions. Using the same location makes this algorithm converge
148   // faster because it uses results of the same iteration earlier.
149   int Current = 0;
150   int Next = 0;
151 };
152 }
153
154 // Returns a hash value for S. Note that the information about
155 // relocation targets is not included in the hash value.
156 template <class ELFT> static uint32_t getHash(InputSection *S) {
157   return hash_combine(S->Flags, S->getSize(), S->NumRelocations);
158 }
159
160 // Returns true if section S is subject of ICF.
161 static bool isEligible(InputSection *S) {
162   // .init and .fini contains instructions that must be executed to
163   // initialize and finalize the process. They cannot and should not
164   // be merged.
165   return S->Live && (S->Flags & SHF_ALLOC) && (S->Flags & SHF_EXECINSTR) &&
166          !(S->Flags & SHF_WRITE) && S->Name != ".init" && S->Name != ".fini";
167 }
168
169 // Split an equivalence class into smaller classes.
170 template <class ELFT>
171 void ICF<ELFT>::segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant) {
172   // This loop rearranges sections in [Begin, End) so that all sections
173   // that are equal in terms of equals{Constant,Variable} are contiguous
174   // in [Begin, End).
175   //
176   // The algorithm is quadratic in the worst case, but that is not an
177   // issue in practice because the number of the distinct sections in
178   // each range is usually very small.
179
180   while (Begin < End) {
181     // Divide [Begin, End) into two. Let Mid be the start index of the
182     // second group.
183     auto Bound =
184         std::stable_partition(Sections.begin() + Begin + 1,
185                               Sections.begin() + End, [&](InputSection *S) {
186                                 if (Constant)
187                                   return equalsConstant(Sections[Begin], S);
188                                 return equalsVariable(Sections[Begin], S);
189                               });
190     size_t Mid = Bound - Sections.begin();
191
192     // Now we split [Begin, End) into [Begin, Mid) and [Mid, End) by
193     // updating the sections in [Begin, Mid). We use Mid as an equivalence
194     // class ID because every group ends with a unique index.
195     for (size_t I = Begin; I < Mid; ++I)
196       Sections[I]->Class[Next] = Mid;
197
198     // If we created a group, we need to iterate the main loop again.
199     if (Mid != End)
200       Repeat = true;
201
202     Begin = Mid;
203   }
204 }
205
206 // Compare two lists of relocations.
207 template <class ELFT>
208 template <class RelTy>
209 bool ICF<ELFT>::constantEq(ArrayRef<RelTy> RelsA, ArrayRef<RelTy> RelsB) {
210   auto Eq = [](const RelTy &A, const RelTy &B) {
211     return A.r_offset == B.r_offset &&
212            A.getType(Config->IsMips64EL) == B.getType(Config->IsMips64EL) &&
213            getAddend<ELFT>(A) == getAddend<ELFT>(B);
214   };
215
216   return RelsA.size() == RelsB.size() &&
217          std::equal(RelsA.begin(), RelsA.end(), RelsB.begin(), Eq);
218 }
219
220 // Compare "non-moving" part of two InputSections, namely everything
221 // except relocation targets.
222 template <class ELFT>
223 bool ICF<ELFT>::equalsConstant(const InputSection *A, const InputSection *B) {
224   if (A->NumRelocations != B->NumRelocations || A->Flags != B->Flags ||
225       A->getSize() != B->getSize() || A->Data != B->Data)
226     return false;
227
228   if (A->AreRelocsRela)
229     return constantEq(A->template relas<ELFT>(), B->template relas<ELFT>());
230   return constantEq(A->template rels<ELFT>(), B->template rels<ELFT>());
231 }
232
233 // Compare two lists of relocations. Returns true if all pairs of
234 // relocations point to the same section in terms of ICF.
235 template <class ELFT>
236 template <class RelTy>
237 bool ICF<ELFT>::variableEq(const InputSection *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
238                            const InputSection *B, ArrayRef<RelTy> RelsB) {
239   auto Eq = [&](const RelTy &RA, const RelTy &RB) {
240     // The two sections must be identical.
241     SymbolBody &SA = A->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RA);
242     SymbolBody &SB = B->template getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(RB);
243     if (&SA == &SB)
244       return true;
245
246     auto *DA = dyn_cast<DefinedRegular>(&SA);
247     auto *DB = dyn_cast<DefinedRegular>(&SB);
248     if (!DA || !DB)
249       return false;
250     if (DA->Value != DB->Value)
251       return false;
252
253     // Either both symbols must be absolute...
254     if (!DA->Section || !DB->Section)
255       return !DA->Section && !DB->Section;
256
257     // Or the two sections must be in the same equivalence class.
258     auto *X = dyn_cast<InputSection>(DA->Section);
259     auto *Y = dyn_cast<InputSection>(DB->Section);
260     if (!X || !Y)
261       return false;
262
263     // Ineligible sections are in the special equivalence class 0.
264     // They can never be the same in terms of the equivalence class.
265     if (X->Class[Current] == 0)
266       return false;
267
268     return X->Class[Current] == Y->Class[Current];
269   };
270
271   return std::equal(RelsA.begin(), RelsA.end(), RelsB.begin(), Eq);
272 }
273
274 // Compare "moving" part of two InputSections, namely relocation targets.
275 template <class ELFT>
276 bool ICF<ELFT>::equalsVariable(const InputSection *A, const InputSection *B) {
277   if (A->AreRelocsRela)
278     return variableEq(A, A->template relas<ELFT>(), B,
279                       B->template relas<ELFT>());
280   return variableEq(A, A->template rels<ELFT>(), B, B->template rels<ELFT>());
281 }
282
283 template <class ELFT> size_t ICF<ELFT>::findBoundary(size_t Begin, size_t End) {
284   uint32_t Class = Sections[Begin]->Class[Current];
285   for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I)
286     if (Class != Sections[I]->Class[Current])
287       return I;
288   return End;
289 }
290
291 // Sections in the same equivalence class are contiguous in Sections
292 // vector. Therefore, Sections vector can be considered as contiguous
293 // groups of sections, grouped by the class.
294 //
295 // This function calls Fn on every group that starts within [Begin, End).
296 // Note that a group must start in that range but doesn't necessarily
297 // have to end before End.
298 template <class ELFT>
299 void ICF<ELFT>::forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
300                                   std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
301   if (Begin > 0)
302     Begin = findBoundary(Begin - 1, End);
303
304   while (Begin < End) {
305     size_t Mid = findBoundary(Begin, Sections.size());
306     Fn(Begin, Mid);
307     Begin = Mid;
308   }
309 }
310
311 // Call Fn on each equivalence class.
312 template <class ELFT>
313 void ICF<ELFT>::forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
314   // If threading is disabled or the number of sections are
315   // too small to use threading, call Fn sequentially.
316   if (!Config->Threads || Sections.size() < 1024) {
317     forEachClassRange(0, Sections.size(), Fn);
318     ++Cnt;
319     return;
320   }
321
322   Current = Cnt % 2;
323   Next = (Cnt + 1) % 2;
324
325   // Split sections into 256 shards and call Fn in parallel.
326   size_t NumShards = 256;
327   size_t Step = Sections.size() / NumShards;
328   parallelFor(0, NumShards, [&](size_t I) {
329     forEachClassRange(I * Step, (I + 1) * Step, Fn);
330   });
331   forEachClassRange(Step * NumShards, Sections.size(), Fn);
332   ++Cnt;
333 }
334
335 // The main function of ICF.
336 template <class ELFT> void ICF<ELFT>::run() {
337   // Collect sections to merge.
338   for (InputSectionBase *Sec : InputSections)
339     if (auto *S = dyn_cast<InputSection>(Sec))
340       if (isEligible(S))
341         Sections.push_back(S);
342
343   // Initially, we use hash values to partition sections.
344   for (InputSection *S : Sections)
345     // Set MSB to 1 to avoid collisions with non-hash IDs.
346     S->Class[0] = getHash<ELFT>(S) | (1 << 31);
347
348   // From now on, sections in Sections vector are ordered so that sections
349   // in the same equivalence class are consecutive in the vector.
350   std::stable_sort(Sections.begin(), Sections.end(),
351                    [](InputSection *A, InputSection *B) {
352                      return A->Class[0] < B->Class[0];
353                    });
354
355   // Compare static contents and assign unique IDs for each static content.
356   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, true); });
357
358   // Split groups by comparing relocations until convergence is obtained.
359   do {
360     Repeat = false;
361     forEachClass(
362         [&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, false); });
363   } while (Repeat);
364
365   log("ICF needed " + Twine(Cnt) + " iterations");
366
367   // Merge sections by the equivalence class.
368   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) {
369     if (End - Begin == 1)
370       return;
371
372     log("selected " + Sections[Begin]->Name);
373     for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I) {
374       log("  removed " + Sections[I]->Name);
375       Sections[Begin]->replace(Sections[I]);
376     }
377   });
378
379   // Mark ARM Exception Index table sections that refer to folded code
380   // sections as not live. These sections have an implict dependency
381   // via the link order dependency.
382   if (Config->EMachine == EM_ARM)
383     for (InputSectionBase *Sec : InputSections)
384       if (auto *S = dyn_cast<InputSection>(Sec))
385         if (S->Flags & SHF_LINK_ORDER)
386           S->Live = S->getLinkOrderDep()->Live;
387 }
388
389 // ICF entry point function.
390 template <class ELFT> void elf::doIcf() { ICF<ELFT>().run(); }
391
392 template void elf::doIcf<ELF32LE>();
393 template void elf::doIcf<ELF32BE>();
394 template void elf::doIcf<ELF64LE>();
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