<html><head><meta http-equiv="Content-Type" content="text/html charset=utf-8"></head><body style="word-wrap: break-word; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space;" class=""><div class=""><b class="">Summary</b></div><div class=""><br class=""></div><div class="">I would like to propose that we add the following function attribute to LLVM:</div><div class=""><br class=""></div><div class="">  synthetic(<string>)</div><div class=""><br class=""></div><div class="">This attribute can only be applied to functions.  It is not a semantic statement about the function it decorates.  It is, instead, an explicit directive to LLVM to not attempt to propagate information about the function body outside of the function, including by changing the attributes of the function.  The expectation is that some special pass will eventually remove the attribute and enable normal optimization.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">So, why should we add this?</div><div class=""><br class=""></div><div class=""><b class="">Problem: coroutine structure</b></div><div class=""><br class=""></div><div class="">I've recently been working on implementing coroutines for Swift.  This involves embracing and extending Gor's excellent work on LLVM coroutines with an alternate code-generation pattern and ABI. (*)  LLVM doesn't natively support coroutines, which means that a pre-split coroutine represented in IR looks rather artificial.</div><div class=""><br class=""></div><div class=""><div class=""><div class="">(* This work has been happening out-of-tree while I qualify the design with Swift frontend support.  That doesn't mean it's closed-source; if you're curious, you can see the current documentation update here:</div><div class="">  <a href="https://github.com/apple/swift-llvm/blob/upstream-with-swift/docs/Coroutines.rst" class="">https://github.com/apple/swift-llvm/blob/upstream-with-swift/docs/Coroutines.rst</a></div><div class="">or just check out the implementation:</div><div class="">  <a href="https://github.com/apple/swift-llvm/tree/upstream-with-swift/lib/Transforms/Coroutines" class="">https://github.com/apple/swift-llvm/tree/upstream-with-swift/lib/Transforms/Coroutines</a></div></div><div class="">I promise it will be submitted to LLVM when we've proven the design to our satisfaction by starting to use it in the frontend.  That should be within the next few months.)</div></div><div class=""><br class=""></div><div class="">For example, here's a simple coroutine:</div><div class=""><div class=""><br class=""></div><blockquote style="margin: 0 0 0 40px; border: none; padding: 0px;" class=""><div class=""><div class="">define i8* @f(i8* %buffer, i32 %n) {</div></div><div class=""><div class="">entry:</div></div><div class=""><div class="">  %id = call token @llvm.coro.id.retcon(i32 8, i32 4, i8* %buffer, i8* bitcast (i8* (i8*, i1)* @prototype to i8*), i8* bitcast (i8* (i32)* @allocate to i8*), i8* bitcast (void (i8*)* @deallocate to i8*))</div></div><div class=""><div class="">  %hdl = call i8* @llvm.coro.begin(token %id, i8* null)</div></div><div class=""><div class="">  br label %loop</div></div><div class=""><div class=""><br class=""></div></div><div class=""><div class="">loop:</div></div><div class=""><div class="">  %n.val = phi i32 [ %n, %entry ], [ %inc, %resume ]</div></div><div class=""><div class="">  call void @print(i32 %n.val)</div></div><div class=""><div class="">  %unwind0 = call i1 (...) @llvm.coro.suspend.retcon.i1()</div></div><div class=""><div class="">  br i1 %unwind0, label %cleanup, label %resume</div></div><div class=""><div class=""><br class=""></div></div><div class=""><div class="">resume:</div></div><div class=""><div class="">  %inc = add i32 %n.val, 1</div></div><div class=""><div class="">  br label %loop</div></div><div class=""><div class=""><br class=""></div></div><div class=""><div class="">cleanup:</div></div><div class=""><div class="">  call i1 @llvm.coro.end(i8* %hdl, i1 0)</div></div><div class=""><div class="">  unreachable</div></div><div class=""><div class="">}</div></div></blockquote><div class=""><div class=""><br class=""></div><div class="">In this function body, the coroutine intrinsics are structurally special: they are tied to the identity of this function and cannot be independently understood.  This is true in the same general sense that "ret" and "unwind" are structurally special in an ordinary function.  The control flow and semantics of this function are *internally* consistent and correct, and accordingly most intra-procedural analyses will not pose a problem.  However, its interaction with other functions, and especially with its caller, cannot be understood by a naive function-wide analysis which does not know about these intrinsics.  Such an analysis is likely to take actions that would cause a miscompile.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">For example:</div><div class=""><br class=""></div><div class="">  - It is not legal to clone these intrinsics into another function, e.g. during inlining.  A function is a coroutine if (and only if) it contains an @llvm.coro.id.* call.  Cloning the 'id' call into the caller would turn that function into a coroutine, which is not correct.  Similarly, cloning a 'suspend' into the caller would probably create malformed IR and, if not, would be semantically incorrect in the same way as cloning a "ret" into the caller would be.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">  - Some of these intrinsics will be expanded to things that are not ordinarily legal for functions to expand to.  For example, the llvm.coro.suspend call will expand into a code sequence that contains a return.  The llvm.coro.end call also expands to contain a return, but with different semantics.  An analysis that does not know that might add the 'noreturn' attribute to this function, which will then be incorrect after expansion.  If a caller propagates that information to its call site, it will be badly miscompiled.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">We need some way to stop these things from happening.</div><div class=""><br class=""></div><div class=""><b class="">Should we just update existing passes to know about these intrinsics?</b></div><div class=""><br class=""></div><div class="">This is a reasonable question, but I am quite convinced the answer is "no".</div><div class=""><br class=""></div><div class="">Even just considering coroutines, I think this is not really a reasonable request.  There may be many different places that would need to updated to know about most of these intrinsics.  Moreover, it is likely that the set of intrinsics will grow and change over time, because the details of LLVM coroutine lowering are very much in flux, for a pair of reasons:</div><div class=""><br class=""></div><div class="">  - First, there isn't a standard, widely-accepted ABI for coroutines.  For ordinary functions, there's general agreement on concepts like "return addresses", "return registers", "argument registers", "argument areas", and "the stack", even if there's a lot of target-specific variation in how to apply them.  But with coroutines, there's a lot of room for debate about how to do even basic things like allocating space for the execution record, yielding and resuming control, and passing values in and out of the coroutine.  I'm already adding a second ABI for Swift (in fact, I'm really adding two closely-related ABIs), and more will come after that.  These ABIs have trade-offs with each other, and I don't think that any one of them will eventually "win"; I think we'll just have to support them all, as they get adopted in different languages.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">  - Even if there were agreement about the ABI, it's not clear to me that there's agreement about how best to compile and optimize them.  As we gain more experience with this, it is not unlikely that we will want to evolve the intrinsics.  I don't think we want to encumber all this experimentation with the need to go update a ton of analyses, especially when the right answer across all of them is generally just "ignore the function for now".</div><div class=""><br class=""></div><div class="">Moreover, I doubt that coroutines are the only feature with a similar set of problems.  My experience with compilers that have tried to use LLVM IR for higher-level analyses and optimizations is that they often want some way of explicitly limiting LLVM's ability to analyze their functions until they've gotten to a certain stage in the lowering.  This becomes more and more likely the more structurally interesting the IR gets.</div><div class=""><br class=""></div><div class=""><b class="">Aren't there already ways to make a function opaque?</b></div><div class=""><br class=""></div><div class="">Well, yes, but they're all independently meaningful, which is a problem.  You can block inter-procedural analysis by giving a function weak linkage, but at the end of the day, it's not okay to make all coroutine functions weak!  Coroutines ought to be able to have the same spectrum of linkages, visibilities, etc. as normal functions, so if we play linkage tricks to block analysis, we have to also find a way to tunnel the real linkage all the way to the coroutine lowering pass.  The same thing applies for 'noinline' — there might be good reasons to make the coroutine function 'noinline' even after lowering, so we have to tunnel the real value through.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">It's possible to make the call indirect, e.g. by hiding the function pointer behind an intrinsic just in case it gets devirtualized, but this requires a lot of awkward casting (all of which needs to be removed in order to make the call properly direct if possible later), and it creates a bunch of extra IR that then needs to be removed at the right point in a careful phase-order with the lowering.  Still, it works, which is why it's how I'm currently trying to solve the problem.  However:</div><div class=""><br class=""></div><div class="">None of those approaches stops passes from changing the function attributes based on the function body, like the (very real) example above of an analysis that decides that the coroutine cannot return.  As far as I know, there's no way to stop this; my current pass just has explicit code to remove 'noreturn' when doing the lowering, but that does not seem like a satisfactory solution.</div><div class=""><br class=""></div><div class="">That is why I think we should have a dedicated attribute whose sole purpose is to block analysis.</div></div></div><div class=""><br class=""></div><div class="">John.</div></body></html>