]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/tools/lld/ELF/ICF.cpp
MFV r315791: ntp 4.2.8p10.
[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
81 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
82 #include "llvm/Object/ELF.h"
83 #include "llvm/Support/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(ArrayRef<RelTy> RelsA, ArrayRef<RelTy> RelsB);
103
104   template <class RelTy>
105   bool variableEq(const InputSection<ELFT> *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
106                   const InputSection<ELFT> *B, ArrayRef<RelTy> RelsB);
107
108   bool equalsConstant(const InputSection<ELFT> *A, const InputSection<ELFT> *B);
109   bool equalsVariable(const InputSection<ELFT> *A, const InputSection<ELFT> *B);
110
111   size_t findBoundary(size_t Begin, size_t End);
112
113   void forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
114                          std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
115
116   void forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn);
117
118   std::vector<InputSection<ELFT> *> Sections;
119
120   // We repeat the main loop while `Repeat` is true.
121   std::atomic<bool> Repeat;
122
123   // The main loop counter.
124   int Cnt = 0;
125
126   // We have two locations for equivalence classes. On the first iteration
127   // of the main loop, Class[0] has a valid value, and Class[1] contains
128   // garbage. We read equivalence classes from slot 0 and write to slot 1.
129   // So, Class[0] represents the current class, and Class[1] represents
130   // the next class. On each iteration, we switch their roles and use them
131   // alternately.
132   //
133   // Why are we doing this? Recall that other threads may be working on
134   // other equivalence classes in parallel. They may read sections that we
135   // are updating. We cannot update equivalence classes in place because
136   // it breaks the invariance that all possibly-identical sections must be
137   // in the same equivalence class at any moment. In other words, the for
138   // loop to update equivalence classes is not atomic, and that is
139   // observable from other threads. By writing new classes to other
140   // places, we can keep the invariance.
141   //
142   // Below, `Current` has the index of the current class, and `Next` has
143   // the index of the next class. If threading is enabled, they are either
144   // (0, 1) or (1, 0).
145   //
146   // Note on single-thread: if that's the case, they are always (0, 0)
147   // because we can safely read the next class without worrying about race
148   // conditions. Using the same location makes this algorithm converge
149   // faster because it uses results of the same iteration earlier.
150   int Current = 0;
151   int Next = 0;
152 };
153 }
154
155 // Returns a hash value for S. Note that the information about
156 // relocation targets is not included in the hash value.
157 template <class ELFT> static uint32_t getHash(InputSection<ELFT> *S) {
158   return hash_combine(S->Flags, S->getSize(), S->NumRelocations);
159 }
160
161 // Returns true if section S is subject of ICF.
162 template <class ELFT> static bool isEligible(InputSection<ELFT> *S) {
163   // .init and .fini contains instructions that must be executed to
164   // initialize and finalize the process. They cannot and should not
165   // be merged.
166   return S->Live && (S->Flags & SHF_ALLOC) && !(S->Flags & SHF_WRITE) &&
167          S->Name != ".init" && S->Name != ".fini";
168 }
169
170 // Split an equivalence class into smaller classes.
171 template <class ELFT>
172 void ICF<ELFT>::segregate(size_t Begin, size_t End, bool Constant) {
173   // This loop rearranges sections in [Begin, End) so that all sections
174   // that are equal in terms of equals{Constant,Variable} are contiguous
175   // in [Begin, End).
176   //
177   // The algorithm is quadratic in the worst case, but that is not an
178   // issue in practice because the number of the distinct sections in
179   // each range is usually very small.
180
181   while (Begin < End) {
182     // Divide [Begin, End) into two. Let Mid be the start index of the
183     // second group.
184     auto Bound = std::stable_partition(
185         Sections.begin() + Begin + 1, Sections.begin() + End,
186         [&](InputSection<ELFT> *S) {
187           if (Constant)
188             return equalsConstant(Sections[Begin], S);
189           return equalsVariable(Sections[Begin], S);
190         });
191     size_t Mid = Bound - Sections.begin();
192
193     // Now we split [Begin, End) into [Begin, Mid) and [Mid, End) by
194     // updating the sections in [Begin, End). We use Mid as an equivalence
195     // class ID because every group ends with a unique index.
196     for (size_t I = Begin; I < Mid; ++I)
197       Sections[I]->Class[Next] = Mid;
198
199     // If we created a group, we need to iterate the main loop again.
200     if (Mid != End)
201       Repeat = true;
202
203     Begin = Mid;
204   }
205 }
206
207 // Compare two lists of relocations.
208 template <class ELFT>
209 template <class RelTy>
210 bool ICF<ELFT>::constantEq(ArrayRef<RelTy> RelsA, ArrayRef<RelTy> RelsB) {
211   auto Eq = [](const RelTy &A, const RelTy &B) {
212     return A.r_offset == B.r_offset &&
213            A.getType(Config->Mips64EL) == B.getType(Config->Mips64EL) &&
214            getAddend<ELFT>(A) == getAddend<ELFT>(B);
215   };
216
217   return RelsA.size() == RelsB.size() &&
218          std::equal(RelsA.begin(), RelsA.end(), RelsB.begin(), Eq);
219 }
220
221 // Compare "non-moving" part of two InputSections, namely everything
222 // except relocation targets.
223 template <class ELFT>
224 bool ICF<ELFT>::equalsConstant(const InputSection<ELFT> *A,
225                                const InputSection<ELFT> *B) {
226   if (A->NumRelocations != B->NumRelocations || A->Flags != B->Flags ||
227       A->getSize() != B->getSize() || A->Data != B->Data)
228     return false;
229
230   if (A->AreRelocsRela)
231     return constantEq(A->relas(), B->relas());
232   return constantEq(A->rels(), B->rels());
233 }
234
235 // Compare two lists of relocations. Returns true if all pairs of
236 // relocations point to the same section in terms of ICF.
237 template <class ELFT>
238 template <class RelTy>
239 bool ICF<ELFT>::variableEq(const InputSection<ELFT> *A, ArrayRef<RelTy> RelsA,
240                            const InputSection<ELFT> *B, ArrayRef<RelTy> RelsB) {
241   auto Eq = [&](const RelTy &RA, const RelTy &RB) {
242     // The two sections must be identical.
243     SymbolBody &SA = A->getFile()->getRelocTargetSym(RA);
244     SymbolBody &SB = B->getFile()->getRelocTargetSym(RB);
245     if (&SA == &SB)
246       return true;
247
248     // Or, the two sections must be in the same equivalence class.
249     auto *DA = dyn_cast<DefinedRegular<ELFT>>(&SA);
250     auto *DB = dyn_cast<DefinedRegular<ELFT>>(&SB);
251     if (!DA || !DB)
252       return false;
253     if (DA->Value != DB->Value)
254       return false;
255
256     auto *X = dyn_cast<InputSection<ELFT>>(DA->Section);
257     auto *Y = dyn_cast<InputSection<ELFT>>(DB->Section);
258     if (!X || !Y)
259       return false;
260
261     // Ineligible sections are in the special equivalence class 0.
262     // They can never be the same in terms of the equivalence class.
263     if (X->Class[Current] == 0)
264       return false;
265
266     return X->Class[Current] == Y->Class[Current];
267   };
268
269   return std::equal(RelsA.begin(), RelsA.end(), RelsB.begin(), Eq);
270 }
271
272 // Compare "moving" part of two InputSections, namely relocation targets.
273 template <class ELFT>
274 bool ICF<ELFT>::equalsVariable(const InputSection<ELFT> *A,
275                                const InputSection<ELFT> *B) {
276   if (A->AreRelocsRela)
277     return variableEq(A, A->relas(), B, B->relas());
278   return variableEq(A, A->rels(), B, B->rels());
279 }
280
281 template <class ELFT> size_t ICF<ELFT>::findBoundary(size_t Begin, size_t End) {
282   uint32_t Class = Sections[Begin]->Class[Current];
283   for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I)
284     if (Class != Sections[I]->Class[Current])
285       return I;
286   return End;
287 }
288
289 // Sections in the same equivalence class are contiguous in Sections
290 // vector. Therefore, Sections vector can be considered as contiguous
291 // groups of sections, grouped by the class.
292 //
293 // This function calls Fn on every group that starts within [Begin, End).
294 // Note that a group must starts in that range but doesn't necessarily
295 // have to end before End.
296 template <class ELFT>
297 void ICF<ELFT>::forEachClassRange(size_t Begin, size_t End,
298                                   std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
299   if (Begin > 0)
300     Begin = findBoundary(Begin - 1, End);
301
302   while (Begin < End) {
303     size_t Mid = findBoundary(Begin, Sections.size());
304     Fn(Begin, Mid);
305     Begin = Mid;
306   }
307 }
308
309 // Call Fn on each equivalence class.
310 template <class ELFT>
311 void ICF<ELFT>::forEachClass(std::function<void(size_t, size_t)> Fn) {
312   // If threading is disabled or the number of sections are
313   // too small to use threading, call Fn sequentially.
314   if (!Config->Threads || Sections.size() < 1024) {
315     forEachClassRange(0, Sections.size(), Fn);
316     ++Cnt;
317     return;
318   }
319
320   Current = Cnt % 2;
321   Next = (Cnt + 1) % 2;
322
323   // Split sections into 256 shards and call Fn in parallel.
324   size_t NumShards = 256;
325   size_t Step = Sections.size() / NumShards;
326   forLoop(0, NumShards,
327           [&](size_t I) { forEachClassRange(I * Step, (I + 1) * Step, Fn); });
328   forEachClassRange(Step * NumShards, Sections.size(), Fn);
329   ++Cnt;
330 }
331
332 // The main function of ICF.
333 template <class ELFT> void ICF<ELFT>::run() {
334   // Collect sections to merge.
335   for (InputSectionBase<ELFT> *Sec : Symtab<ELFT>::X->Sections)
336     if (auto *S = dyn_cast<InputSection<ELFT>>(Sec))
337       if (isEligible(S))
338         Sections.push_back(S);
339
340   // Initially, we use hash values to partition sections.
341   for (InputSection<ELFT> *S : Sections)
342     // Set MSB to 1 to avoid collisions with non-hash IDs.
343     S->Class[0] = getHash(S) | (1 << 31);
344
345   // From now on, sections in Sections vector are ordered so that sections
346   // in the same equivalence class are consecutive in the vector.
347   std::stable_sort(Sections.begin(), Sections.end(),
348                    [](InputSection<ELFT> *A, InputSection<ELFT> *B) {
349                      return A->Class[0] < B->Class[0];
350                    });
351
352   // Compare static contents and assign unique IDs for each static content.
353   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, true); });
354
355   // Split groups by comparing relocations until convergence is obtained.
356   do {
357     Repeat = false;
358     forEachClass(
359         [&](size_t Begin, size_t End) { segregate(Begin, End, false); });
360   } while (Repeat);
361
362   log("ICF needed " + Twine(Cnt) + " iterations");
363
364   // Merge sections by the equivalence class.
365   forEachClass([&](size_t Begin, size_t End) {
366     if (End - Begin == 1)
367       return;
368
369     log("selected " + Sections[Begin]->Name);
370     for (size_t I = Begin + 1; I < End; ++I) {
371       log("  removed " + Sections[I]->Name);
372       Sections[Begin]->replace(Sections[I]);
373     }
374   });
375 }
376
377 // ICF entry point function.
378 template <class ELFT> void elf::doIcf() { ICF<ELFT>().run(); }
379
380 template void elf::doIcf<ELF32LE>();
381 template void elf::doIcf<ELF32BE>();
382 template void elf::doIcf<ELF64LE>();
383 template void elf::doIcf<ELF64BE>();