原文連結：http://blog.csdn.net/sonicling/article/details/7916931

一、前言

本篇只介紹一下框架，就不具體介紹每個步驟了。

二、Pass框架

上一篇已經講了gcc的中間語言的表現形式。gcc 對中間語言的每一步處理叫做一個pass。從一個函式的GENERIC樹剛被轉換為GIMPLE之後，接下來的工作就由一連串的pass來完成。這些pass環環相扣，最終完成整個程式的優化工作，為目的碼生成做最後的準備。

GCC的pass結構定義在gcc/tree-pass.h標頭檔案中：

[cpp]

 view plaincopy

1. /* Optimization pass type.  */  
2. enum opt_pass_type // 四種pass型別對應的列舉  
3. {  
4.   GIMPLE_PASS,  
5.   RTL_PASS,  
6.   SIMPLE_IPA_PASS,  
7.   IPA_PASS  
8. };  
9.   
10. /* Describe one pass; this is the common part shared across different pass 
11.    types.  */  
12. struct opt_pass 
    // pass的基本結構  
13. {  
14.   /* Optimization pass type.  */  
15.   enum opt_pass_type type;  
16.   
17.   /* Terse name of the pass used as a fragment of the dump file 
18.      name.  If the name starts with a star, no dump happens. */  
19.   const char *name; // pass名字  
20.   
21.   /* If non-null, this pass and all sub-passes are executed only if 
22.      the function returns true.  */  
23.   bool (*gate) (void); // 是否應該執行此pass？  
24.   
25.   /* This is the code to run.  If null, then there should be sub-passes 
26.      otherwise this pass does nothing.  The return value contains 
27.      TODOs to execute in addition to those in TODO_flags_finish.   */  
28.   unsigned int (*execute) (void); // 執行此pass！  
29.   
30.   /* A list of sub-passes to run, dependent on gate predicate.  */  
31.   struct opt_pass *sub; // 子pass。如果此pass被關閉，子pass也被一起關閉。  
32.   
33.   /* Next in the list of passes to run, independent of gate predicate.  */  
34.   struct opt_pass *next; // 後面的pass。  
35.   
36.   /* Static pass number, used as a fragment of the dump file name.  */  
37.   int static_pass_number; // 一個唯一的pass號  
38.   
39.   /* The timevar id associated with this pass.  */  
40.   /* ??? Ideally would be dynamically assigned.  */  
41.   timevar_id_t tv_id; // 一個唯一的ID。  
42.   
43.   /* Sets of properties input and output from this pass.  */  
44.   unsigned int properties_required; // 這些是要被檢查的property  
45.   unsigned int properties_provided;  
46.   unsigned int properties_destroyed;  
47.   
48.   /* Flags indicating common sets things to do before and after.  */  
49.   unsigned int todo_flags_start;  // 這些是在執行此pass之前/之後的附加動作  
50.   unsigned int todo_flags_finish;  
51. };  

opt_pass的成員都很好理解，重點就在gate和execute兩個函式。這兩個函式都沒有引數。如果該pass是用來處理函式，引數通過全域性變數 current_function_decl 和 cfun 傳入，前者是當前function的GENERIC樹節點；後者是一個function結構體，裡面包含了這個函式相關的全部資訊（控制流，GENERIC，GIMPLE，等等）。

之後用繼承的方式定義了四個pass的子型別：

[cpp] view plaincopy

1. struct gimple_opt_pass // gimple pass  
2. {  
3.   struct opt_pass pass;  
4. };  
5. struct rtl_opt_pass // rtl pass  
6. {  
7.   struct opt_pass pass;  
8. };  
9. struct ipa_opt_pass_d // ipa pass  
10. {  
11.   struct opt_pass pass;  
12.   
13.   /* IPA passes can analyze function body and variable initializers 
14.       using this hook and produce summary.  */  
15.   void (*generate_summary) (void); // 分析函式體和全域性變數的初始化過程  
16.   
17.   /* This hook is used to serialize IPA summaries on disk.  */  
18.   void (*write_summary) (struct cgraph_node_set_def *); // 將ipa summary寫入磁碟  
19.   
20.   /* For most ipa passes, the information can only be deserialized in 
21.      one chunk.  However, function bodies are read function at a time 
22.      as needed so both calls are necessary.  */  
23.   void (*read_summary) (void);  // 從磁碟讀取ipa summary，下同  
24.   void (*function_read_summary) (struct cgraph_node *);  
25.   /* Hook to convert gimple stmt uids into true gimple statements.  The second 
26.      parameter is an array of statements indexed by their uid. */  
27.   void (*stmt_fixup) (struct cgraph_node *, gimple *); // 語句修復  
28.   
29.   /* Results of interprocedural propagation of an IPA pass is applied to 
30.      function body via this hook.  */  
31.   unsigned int function_transform_todo_flags_start;  
32.   unsigned int (*function_transform) (struct cgraph_node *); // 函式變形  
33.   void (*variable_transform) (struct varpool_node *); // 變數變形  
34. };  
35.   
36. struct simple_ipa_opt_pass // simple ipa pass  
37. {  
38.   struct opt_pass pass;  
39. };  

這四種pass，只有ipa pass比較特殊，其他的除了型別不一樣之外，其餘都一樣。當然，在初始化對應結構體時，opt_pass::type必須用對應的列舉來初始化。最後一種ipa pass區別於simple ipa pass，叫做regular ipa pass，在後面進一步介紹。

大部分常用的pass都實現在gcc目錄下的某些檔案中，這些檔案的特點是聲明瞭一個全域性的xxx_pass結構體變數，而這些變數在tree-pass.h中用extern宣告一遍，並在passes.c中的 init_optimizations() 函式中串在一起。該函式通過使用NEXT_PASS()巨集，初始化了5串pass：

[cpp] view plaincopy

1. /* The root of the compilation pass tree, once constructed.  */  
2. extern struct opt_pass *all_passes, *all_small_ipa_passes, *all_lowering_passes,  
3.                        *all_regular_ipa_passes, *all_lto_gen_passes;  

他們被呼叫的順序和被初始化的順序是一致的：all_lowering_passes -> all_small_ipa_passes -> all_regular_ipa_passes -> all_lto_gen_passes -> all_passes。他們所作的事情大致如下：

all_lowering_passes：降級GIMPLE，從GIMPLE生成控制流圖，內聯形參...

all_small_ipa_passes：行內函數(early inline)，內聯形參，重建cgraph邊，重建函式屬性，建立SSA，複寫傳播(copy propagation)，清理...

all_regular_ipa_passes：行內函數(inline)，常量判定(pure const)，Escape分析，程序間Point-to分析（IPA PTA）...

all_lto_gen_passes：Link time optimization...

all_passes：exception handling，GIMPLE優化（SSA優化，dead call，別名分析，if合併，迴圈優化等等），GIMPLE->RTL，RTL優化（複寫傳播，dead call，暫存器合併，條件跳轉優化等等）清理...

其中 all_regular_ipa_passes和all_lto_gen_passes都是regular ipa pass，all_small_ipa_passes就是simple ipa pass，all_lowering_passes都是gimple pass，all_passes是由gimple pass和rtl pass組成。

三、三大類Pass

3.1、GIMPLE Pass

所有的Lowering pass和前半部分優化都是gimple pass。gimple pass可以遍歷當前函式的全部gimple語句。Lowering pass中的控制流生成之前，gimple pass只能從cfun裡遍歷全部的gimple，因為此時它們還沒有被組織成控制流圖的形式，之後的gimple pass就可以使用FOR_EACH_BB這樣的巨集逐塊掃描gimple語句。

3.2、RTL Pass

RTL pass基本上是優化的後半部分。由於RTL有暫存器、字長等GIMPLE沒有的底層概念，因此屬於底層優化，側重點也不同。RTL pass也可以使用FOR_EACH_BB對控制流進行遍歷，但是用FOR_BB_INSNS對基本塊中的insn進行處理，而gimple pass是通過gsi_start_bb來獲取gimple語句列表。

3.3、IPA Pass

IPA的全稱是Inter-Procedural Analysis。在gcc裡它有兩層意思：一個是跨函式的分析，一個是全域性變數（夾在函式間的變數）的分析。IPA所使用的工具是cgraph（call graph，呼叫圖）。呼叫圖記錄了函式之間的呼叫關係。程序間分析的重點就是函式間的變數傳遞（引數）和依賴關係（全域性變數，呼叫關係）。

IPA pass在每次執行時也只是針對一個函式，因此它在執行時也可訪問 current_function_decl 和 cfun，並通過它們獲取對應的cgraph_node，由此可以得到當前函式與cgraph裡的其他函式之間的關係。與此同時，gcc將全域性變數存放在varpool_nodes裡，這也是cgraph的一部分。

四、Pass的執行

Pass被Pass管理器執行。執行每一個pass的程式碼實現在gcc/passes.c裡。

4.1 幾個特殊的pass

在gcc/tree-optimize.c中定義了幾個特殊的pass，他們的作用如下：

pass_all_optimizations ：它是程序內優化pass的第一個pass，也是他們的父pass。它只有gate函式，只做開關之用。

pass_early_local_passes：它是all_small_ipa_passes的後半部分，屬於IPA優化部分。它是IPA優化的開關。

pass_all_early_optimizations：它是pass_early_local_passes的一部分，除了做開關，還負責更新cgraph_state。cgraph允許任意時刻新增函式，但是如果在pass的後段新增函式，而這個函式沒有被之前的pass處理過，那就有問題，因此cgraph會根據當前的狀態來決定是否要對這個函式追加執行之前的pass。

pass_cleanup_cfg，pass_cleanup_cfg_post_optimizing和pass_fixup_cfg：在不同階段清理控制流圖，它是獨立的pass，沒有gate（預設執行）。

pass_init_datastructures：初始化所有SSA結構，為轉換SSA做準備。

4.2 Pass的執行順序

上一篇大致講到了Lowering在Optimization之前。在這裡，我詳細列出他們的呼叫關係：

    cgraph_finalize_compilation_unit()
        cgraph_analyze_functions()
            cgraph_analyze_function()
                gimplify_function_tree() -> gimplification。
                cgraph_lower_function() -> lowering
            cgraph_optimize()
                ipa_passes() 
                   if (!in_lto_p) execute_ipa_pass_list (all_small_ipa_passes); -> small IPA execute
                   if (!in_lto_p) execute_ipa_summary_passes(all_regular_ipa_passes) -> regular IPA summary
                   execute_ipa_summary_passes (all_lto_gen_passes); -> lto summary
                   if (!flag_ltrans) execute_ipa_pass_list (all_regular_ipa_passes); -> regular IPA (include LTO) execute
                cgraph_expand_all_functions()
                   cgraph_expand_all_function()
                      tree_rest_of_compilation()
                        execute_all_ipa_transforms() -> regular IPA transform (include LTO) transform
                        execute_pass_list (all_passes) -> 程序內優化

4.3 普通Pass的執行

普通的pass由gcc/passes.c中的execute_one_pass()函式來負責呼叫。該函式的程式碼就不貼了，具體來說，它是這麼來呼叫每個普通pass的：

1. 檢查gate：gate_status = (pass->gate == NULL) ? true : pass->gate();
2. plugin複查gate：invoke_plugin_callbacks (PLUGIN_OVERRIDE_GATE, &gate_status);
3. 如果不需要執行，就退出。
4. 通知plugin準備execute：invoke_plugin_callbacks (PLUGIN_PASS_EXECUTION, pass);
5. 執行pass預定的TODO list：execute_todo (pass->todo_flags_start);
6. 檢查函式的property是否和pass的相符：do_per_function (verify_curr_properties,  (void *)(size_t)pass->properties_required);
7. 執行pass：todo_after = pass->execute ();
8. 執行pass指定的結束TODO list：execute_todo (todo_after | pass->todo_flags_finish);
9. 如果是regular IPA Pass，記錄該pass到當前函式的IPA Transform列表中。

還有一些debug用的dumpfile操作就不提了。

4.3 Regular IPA Pass的執行

執行Regular IPA Pass的函式就不再作詳細介紹了，他們的執行流程被分散為3輪，每一輪的步驟都差不多，而且比普通pass的執行過程簡單。

每個IPA pass都有三次機會來執行。generate_summaries() -> execute() -> function_transform()。前兩次機會基本都差不多，都是用來掃描和準備引數，最後一次機會就是對cgraph實施改變。比如pass_ipa_inline，在generate_summaries裡面計算所有函式的大小，在execute裡面根據大小和其他資訊來判定哪些函式可以內聯，在transform裡面對所有標記為內聯的函式進行內聯，並更新cgraph。

儘管如此，generate_summaries() 和 execute() 還是有作用上的區別。由於前者先執行，而後者是否執行被gate()控制，並且transform是按照每個函式上掛載的ipa_pass 列表來執行，如果execute不執行的話，該pass也不會被掛載到當前函式上，因此 generate_summaries() 可以用來通過 gate() 控制後兩者是否被執行。

五、之後

執行完所有Pass之後，gcc就進入了最後的階段：目的碼生成。敬請期待下篇。