dsa算法（1）

来源：互联网发布：经典网络歌曲大全编辑：程序博客网时间：2024/05/21 06:27

DSA算法（DataStructure Analysis的首字母缩写）是LLVM的发起人Chris Latter在其硕士、博士系列论文中提出的一个上下文感知（context sensitivity）的、过程间（inter-procedure）的数据结构分析算法。这个算法的强大之处在于可以分析像C这样拥有指针类型的复杂语言，并拥有可观的效率（在http://llvm.org/pubs/可以找到这篇论文“DataStructure Analysis: An Efficient Context-Sensitive Heap Analysis”）。

DSA算法的实现目前在llvm的poolalloc项目下（poolalloc的源代码可通过SVN从http://llvm.org/svn/llvm-project/poolalloc/trunk获取），poolalloc是应用DSA的一个强大的分配池框架。ChrisLatter的论文对此有详尽的描述。据注释显示，DSA的实现尚未稳定，还在剧烈改动中。

DSA算法在llvm的中间表达形式（llvm-IR）的基础上实现，这个中间表达形式的特点是保存了尽可能多的类型信息。而这是DSA能够实现的重要条件（llvm-IR的详尽说明可以参考http://llvm.org/docs/LangRef.html）。

1. DSA算法的架构

1.1. BasicDataStructures的注册

BasicDataStructures是一个近似“玩具”的DSA算法（它假定指针可以指向所有可能的地方，这个近似粗糙但简单，poolalloc还有其它更为精确的实现，后面会看到）。它可以用于测试DSA的框架，另外就没有太多的用处。它的注册入口是：

30 staticRegisterPass<BasicDataStructures>

31 X("dsa-basic","Basic Data Structure Analysis(No Analysis)");

Llvm系统一个重要的部分是LLVMPass框架。遍（pass）执行构成编译器的转换与优化，它们构建这些转换所使用的分析结果，并且最重要的是它们是构造编译器代码的一个技术。在llvm中“遍”就是由Pass来抽象，所有的llvm pass都是Pass类的子类，并通过上面的RegisterPass函数向llvm注册。其中，第二个参数是调试用的“打印名”，这个名字明确告诉我们BasicDataStructures实际没做任何实际分析。

202 template<typenamepassName>

203 structRegisterPass: public PassInfo {

204

205 // Register Passusing default constructor...

206 RegisterPass(constchar *PassArg,const char *Name, bool CFGOnly =false,

207 bool is_analysis = false)

208 : PassInfo(Name,PassArg, &passName::ID,

209 PassInfo::NormalCtor_t(callDefaultCtor<passName>),

210 CFGOnly, is_analysis) {

211 PassRegistry::getPassRegistry()->registerPass(*this);

212 }

213 };

209行的PassInfo::NormalCtor_t是一个定义在PassInfo中函数指针，其定义为：typedefPass* (*NormalCtor_t)()，它与callDefaultCtor的实例绑定。callDefaultCtor在堆上构建模板参数passName所指定类型的一个实例：

182 template<typenamePassName>

183 Pass *callDefaultCtor(){return newPassName(); }

208行的基类PassInfo的构造函数定义如下：

57 PassInfo(const char *name, constchar *arg, const void *pi,

58 NormalCtor_t normal, bool isCFGOnly,bool is_analysis)

59 : PassName(name), PassArgument(arg),PassID(pi),

60 IsCFGOnlyPass(isCFGOnly),

61 IsAnalysis(is_analysis),IsAnalysisGroup(false), NormalCtor(normal) { }

这个构造函数初始化了PassInfo的所有成员：

44 constchar *constPassName; //Nice name for Pass

45 constchar *constPassArgument; // Command Line argument to run thispass

46 const void *PassID;

47 const boolIsCFGOnlyPass; // Pass only looks at the CFG.

48 const boolIsAnalysis; // True if an analysis pass.

49 const boolIsAnalysisGroup; // True if an analysis group.

50 std::vector<constPassInfo*> ItfImpl;// Interfaces implemented bythis pass

52 NormalCtor_t NormalCtor;

注意46行的PassID，llvm使用&passName::ID（即地址）来识别不同的Pass。在RegisterPass的211行，PassRegistry::getPassRegistry()返回自己的一个实例：

34 PassRegistry *PassRegistry::getPassRegistry() {

35 return &*PassRegistryObj;

36 }

其中，PassRegistryObj是一个静态的对象，它被声明为：

33 staticManagedStatic<PassRegistry>PassRegistryObj;

类ManagedStatic会按需创建它所封装的全局或静态对象（由成员指针Ptr指向，在援引时创建），因此PassRegistryObj必须被声明为全局或静态的。这样做的好处可以减少链接了llvm组件的动态库的启动时间。ManagedStatic的方法主要是重载对指针的*及->操作符。例如非const的操作符：

60 template<classC>

61 classManagedStatic: public ManagedStaticBase{

…

65 C &operator*(){

66 void* tmp = Ptr;

67 if (llvm_is_multithreaded())sys::MemoryFence();

68 if (!tmp) RegisterManagedStatic(object_creator<C>,object_deleter<C>::call);

69 TsanHappensAfter(this);

71 return *static_cast<C*>(Ptr);

72 }

73 C *operator->(){

74 void* tmp = Ptr;

75 if (llvm_is_multithreaded())sys::MemoryFence();

76 if (!tmp) RegisterManagedStatic(object_creator<C>,object_deleter<C>::call);

77 TsanHappensAfter(this);

79 return static_cast<C*>(Ptr);

80 }

其中68行的object_creator与object_deleter是两个简单的模板类型，对指定类型分配实例及销毁实例。

24 template<class C>

25 void* object_creator(){

26 return new C();

27 }

31 template<typenameT>struct object_deleter{

32 static voidcall(void * Ptr) { delete (T*)Ptr; }

33 };

而ManagedStatic的基类ManagedStaticBase的定义如下：

39 classManagedStaticBase{

40 protected:

41 // This should onlybe used as a static variable, which guarantees that this

42 // will be zeroinitialized.

43 mutable void*Ptr;

44 mutable void(*DeleterFn)(void*);

45 mutable const ManagedStaticBase *Next;

47 void RegisterManagedStatic(void*(*creator)(), void (*deleter)(void*))const;

48 public:

49 /// isConstructed -Return true if this object has not been created yet.

50 bool isConstructed() const{ return Ptr != 0; }

52 void destroy() const;

53 };

其中最重要的一个方法是RegisterManagedStatic——注册受控全局/静态对象。它由ManagedStatic重载的*及->操作符调用。

22 void ManagedStaticBase::RegisterManagedStatic(void*(*Creator)(),

23 void (*Deleter)(void*)) const {

24 if (llvm_is_multithreaded()) {

25 llvm_acquire_global_lock();

27 if (Ptr == 0) {

28 void* tmp = Creator ? Creator() : 0;

30 TsanHappensBefore(this);

31 sys::MemoryFence();

33 // This writeis racy against the first read in the ManagedStatic

34 // accessors.The race is benign because it does a second read after a

35 // memoryfence, at which point it isn't possible to get a partial value.

36 TsanIgnoreWritesBegin();

37 Ptr = tmp;

38 TsanIgnoreWritesEnd();

39 DeleterFn = Deleter;

41 // Add to listof managed statics.

42 Next = StaticList;

43 StaticList = this;

44 }

46 llvm_release_global_lock();

47 } else {

48 assert(Ptr== 0 && DeleterFn == 0 && Next == 0 &&

49 "Partially initializedManagedStatic!?");

50 Ptr = Creator ? Creator() : 0;

51 DeleterFn = Deleter;

53 // Add to list ofmanaged statics.

54 Next = StaticList;

55 StaticList = this;

56 }

57 }

24~46行是对多线程的处理。llvm及前端clang有一个feature，计划让这些软件运行在多线程环境下。这会使得这些程序更加强大，能更好地利用今后的多核环境。不过多线程带来了开发，尤其是调试上的困难，为了能够尽可能自动地检测竞争情形，llvm实现了一个实验性的编译时测试遍（instrumentation pass），并允许直接把代码与ThreadSanitizer（Tsan）链接（http://code.google.com/p/data-race-test/wiki/CompileTimeInstrumentation参考更多信息）。这里使用了其中的动态修饰（dynamic annotation）机制（更多信息参考http://code.google.com/p/data-race-test/wiki/DynamicAnnotations），插入同步代码以检测是否违反同步条件。

除去同步代码，RegisterManagedStatic做的事情就是调用传入的构建函数（即创建注册的Pass），记录删除用的方法，并把自己所在的实例链入StaticList——这是一个静态的ManagedStaticBase链表。为了控制析构该链表及其包含的对象的时机，llvm定义了llvm_shutdown函数：

76 void llvm::llvm_shutdown() {

77 while (StaticList)

78 StaticList->destroy();

80 if (llvm_is_multithreaded())llvm_stop_multithreaded();

81 }

而这个函数进而由llvm_shutdown_obj类型的对象在析构时调用：

105 structllvm_shutdown_obj{

106 llvm_shutdown_obj() { }

107 explicitllvm_shutdown_obj(bool multithreaded) {

108 if (multithreaded)llvm_start_multithreaded();

109 }

110 ~llvm_shutdown_obj() { llvm_shutdown(); }

111 };

通常程序会在main函数中声明一个局部的llvm_shutdown_obj对象，比如与Pass有密切关系的opt的程序（opt可以运行指定的Pass）。下面是具体的注册方法。

105 void PassRegistry::registerPass(const PassInfo &PI, bool ShouldFree) {

106 sys::SmartScopedLock<true> Guard(*Lock);

107 PassRegistryImpl *Impl = static_cast<PassRegistryImpl*>(getImpl());

108 bool Inserted =

109 Impl->PassInfoMap.insert(std::make_pair(PI.getTypeInfo(),&PI)).second;

110 assert(Inserted&& "Pass registered multiple times!");

111 (void)Inserted;

112 Impl->PassInfoStringMap[PI.getPassArgument()] = &PI;

113

114 // Notify anylisteners.

115 for(std::vector<PassRegistrationListener*>::iterator

116 I = Impl->Listeners.begin(), E =Impl->Listeners.end(); I != E; ++I)

117 (*I)->passRegistered(&PI);

118

119 if (ShouldFree)Impl->ToFree.push_back(&PI);

120 }

PassRegistry本身只实现方法，相关的数据由PassRegistryImpl封装，llvm代码中有很多这样的适配器。PassRegistryImpl的实例由107行的getImpl()分配。注意，PassRegistryImpl声明在匿名名字空间中，除了在本文件中，其它地方不可见。

44 namespace {

45 structPassRegistryImpl{

46 /// PassInfoMap -Keep track of the PassInfo object for each registered pass.

47 typedefDenseMap<const void*, const PassInfo*> MapType;

48 MapType PassInfoMap;

50 typedefStringMap<const PassInfo*> StringMapType;

51 StringMapType PassInfoStringMap;

53 ///AnalysisGroupInfo - Keep track of information for each analysis group.

54 structAnalysisGroupInfo {

55 SmallPtrSet<constPassInfo *, 8> Implementations;

56 };

57 DenseMap<constPassInfo*, AnalysisGroupInfo> AnalysisGroupInfoMap;

59 std::vector<constPassInfo*> ToFree;

60 std::vector<PassRegistrationListener*>Listeners;

61 };

62 } //end anonymous namespace

在registerPass的109行，PassInfo::getTypeInfo()返回的是PassInfo::PassID，在这里即是BasicDataStructures::ID的地址。如果对某个Pass感兴趣，可以从PassRegistrationListener派生，这样在每个Pass注册时，将会得到通知（117行的passRegistered）。

112行的getPassArgument返回了注册BasicDataStructures时的字符串"dsa-basic"的地址，以这个地址作为键值在Map中保存注册项（另外，它也可作为opt工具的一个选项，表示选用BasicDataStructure进行分析）。

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