案例1：Pass执行顺序分析——用opt识别并消除冗余Pass

1. 任务定义

本案例解决一个具体问题：给定一段LLVM IR，如何通过opt工具分析其Pass执行顺序，找出其中冗余的Pass，并通过调整顺序来减少编译时间。最终目标是得到一个更精简的Pass序列，同时保证优化后的IR与原始IR在功能上等价（通过opt的-S输出和lli执行结果验证）。

你将学习到：

使用opt的--debug-pass=Structure或--print-after-all来观察Pass执行轨迹。
识别常见的冗余Pass模式（例如：两个连续的instcombine，或gvn后紧跟early-cse但无新优化空间）。
通过opt -O2与自定义Pass序列的对比，验证优化效果。

2. 环境准备与输入IR

本案例需要LLVM 15+（包含opt、lli、clang）。我们使用一个简单的算术IR作为测试输入，它包含冗余的加载和计算，便于观察Pass效果。

创建文件test.ll，内容如下：

; test.ll
define i32 @main() {
entry:
  %a = alloca i32, align 4
  %b = alloca i32, align 4
  store i32 10, i32* %a, align 4
  store i32 20, i32* %b, align 4
  %0 = load i32, i32* %a, align 4
  %1 = load i32, i32* %b, align 4
  %add = add nsw i32 %0, %1
  %2 = load i32, i32* %a, align 4   ; 冗余加载，可被GVN消除
  %3 = load i32, i32* %b, align 4   ; 冗余加载
  %mul = mul nsw i32 %2, %3
  %sub = sub nsw i32 %add, %mul
  ret i32 %sub
}

该IR包含两个冗余的load（%2和%3），它们与%0和%1重复。一个有效的Pass序列应该能消除这些冗余。

3. 分析Pass执行顺序

首先，我们使用opt的--print-after-all来观察标准-O2的Pass执行顺序。运行以下命令：

opt -O2 -S --print-after-all test.ll -o /dev/null 2> trace_O2.txt

然后查看trace_O2.txt中Pass的调用顺序（只关注*** IR Dump After行）：

grep "IR Dump After" trace_O2.txt | sed 's/*** IR Dump After //' | sed 's/ \*\*\*//'

预期输出片段（LLVM 15/16）类似：

...
SimplifyCFG
SROA
EarlyCSE
...
InstCombine
...
GVN
...
InstCombine
...

我们注意到EarlyCSE和GVN都出现了，且InstCombine出现了多次。为了识别冗余，我们手动构造一个精简Pass序列，并对比效果。

4. 识别冗余Pass并构造优化序列

通过分析，我们发现-O2中EarlyCSE和GVN都执行了，但GVN可以完全覆盖EarlyCSE的工作（消除冗余load）。此外，InstCombine在GVN后再次运行是必要的，但如果在GVN前运行两次则冗余。

我们构造一个自定义Pass序列，移除重复的EarlyCSE（因为GVN更强大），并保留必要的清理Pass。使用opt的-passes参数：

opt -S -passes="default" -print-after-all test.ll -o /dev/null 2> trace_default.txt

但为了精确控制，我们使用一个最小序列：

opt -S -passes="function(instcombine,simplifycfg,gvn,instcombine,simplifycfg)" test.ll -o optimized.ll

这里我们只使用instcombine、simplifycfg和gvn，并让gvn处理冗余load，之后再做一次instcombine清理。这个序列比-O2更短，且应该能达到相同效果。

5. 验证与对比

我们通过以下步骤验证优化效果和正确性：

5.1 验证IR等价性

使用lli运行原始IR和优化后的IR，比较返回值：

echo "原始IR执行结果:" && lli test.ll; echo $?
echo "优化后IR执行结果:" && lli optimized.ll; echo $?

预期两个结果都是10+20 - (10*20) = 30 - 200 = -170，退出码为256-170=86（因为shell退出码范围0-255，-170 mod 256 = 86）。实际输出应为86。

5.2 检查冗余消除

查看优化后的IR，确认冗余load被消除：

cat optimized.ll

预期optimized.ll中不再有%2 = load和%3 = load，而是直接使用%0和%1。

5.3 编译时间对比

使用time命令对比-O2和自定义序列的编译时间（多次运行取平均）：

echo "O2时间:" && time (opt -O2 -S test.ll -o /dev/null)
echo "自定义序列时间:" && time (opt -S -passes="function(instcombine,simplifycfg,gvn,instcombine,simplifycfg)" test.ll -o /dev/null)

由于IR很小，时间差异可能不明显，但可以观察到自定义序列的Pass数量更少。为了更明显，可以增大IR规模，但本案例聚焦方法。

6. 关键代码与命令汇总

以下是本案例的核心命令，可直接复制执行：

# 1. 生成trace
opt -O2 -S --print-after-all test.ll -o /dev/null 2> trace_O2.txt
grep "IR Dump After" trace_O2.txt | sed 's/*** IR Dump After //' | sed 's/ \*\*\*//' > pass_order_O2.txt

# 2. 自定义Pass序列
opt -S -passes="function(instcombine,simplifycfg,gvn,instcombine,simplifycfg)" test.ll -o optimized.ll

# 3. 验证结果
lli test.ll; echo "原始退出码: $?"
lli optimized.ll; echo "优化退出码: $?"

# 4. 查看优化后的IR
cat optimized.ll

预期现象：pass_order_O2.txt中显示EarlyCSE和GVN都出现，而自定义序列只包含gvn。优化后的IR中冗余load消失，且程序执行结果一致。

7. 可视化：Pass执行顺序对比

下图展示了标准-O2与自定义精简Pass序列的执行顺序差异，高亮部分为冗余Pass（EarlyCSE与GVN功能重叠）。

图中红色框标注的EarlyCSE在GVN之前执行，但GVN能够完成同样的冗余消除，因此EarlyCSE是冗余的。自定义序列移除了它，减少了Pass数量。

8. 总结

通过本案例，你掌握了使用opt的--print-after-all分析Pass执行顺序，并通过对比功能重叠的Pass（如EarlyCSE与GVN）来精简Pass序列的方法。实际项目中，你可以使用llvm-mca或time工具量化编译时间的提升，从而更科学地调优Pass顺序。