Clang Project

clang_source_code/docs/ThinLTO.rst
1=======
2ThinLTO
3=======
4
5.. contents::
6   :local:
7
8Introduction
9============
10
11*ThinLTO* compilation is a new type of LTO that is both scalable and
12incremental. *LTO* (Link Time Optimization) achieves better
13runtime performance through whole-program analysis and cross-module
14optimization. However, monolithic LTO implements this by merging all
15input into a single module, which is not scalable
16in time or memory, and also prevents fast incremental compiles.
17
18In ThinLTO mode, as with regular LTO, clang emits LLVM bitcode after the
19compile phase. The ThinLTO bitcode is augmented with a compact summary
20of the module. During the link step, only the summaries are read and
21merged into a combined summary index, which includes an index of function
22locations for later cross-module function importing. Fast and efficient
23whole-program analysis is then performed on the combined summary index.
24
25However, all transformations, including function importing, occur
26later when the modules are optimized in fully parallel backends.
27By default, linkers_ that support ThinLTO are set up to launch
28the ThinLTO backends in threads. So the usage model is not affected
29as the distinction between the fast serial thin link step and the backends
30is transparent to the user.
31
32For more information on the ThinLTO design and current performance,
33see the LLVM blog post `ThinLTO: Scalable and Incremental LTO
34<http://blog.llvm.org/2016/06/thinlto-scalable-and-incremental-lto.html>`_.
35While tuning is still in progress, results in the blog post show that
36ThinLTO already performs well compared to LTO, in many cases matching
37the performance improvement.
38
39Current Status
40==============
41
42Clang/LLVM
43----------
44.. _compiler:
45
46The 3.9 release of clang includes ThinLTO support. However, ThinLTO
47is under active development, and new features, improvements and bugfixes
48are being added for the next release. For the latest ThinLTO support,
49`build a recent version of clang and LLVM
50<https://llvm.org/docs/CMake.html>`_.
51
52Linkers
53-------
54.. _linkers:
55.. _linker:
56
57ThinLTO is currently supported for the following linkers:
58
59- **gold (via the gold-plugin)**:
60  Similar to monolithic LTO, this requires using
61  a `gold linker configured with plugins enabled
62  <https://llvm.org/docs/GoldPlugin.html>`_.
63- **ld64**:
64  Starting with `Xcode 8 <https://developer.apple.com/xcode/>`_.
65- **lld**:
66  Starting with r284050 for ELF, r298942 for COFF.
67
68Usage
69=====
70
71Basic
72-----
73
74To utilize ThinLTO, simply add the -flto=thin option to compile and link. E.g.
75
76.. code-block:: console
77
78  % clang -flto=thin -O2 file1.c file2.c -c
79  % clang -flto=thin -O2 file1.o file2.o -o a.out
80
81When using lld-link, the -flto option need only be added to the compile step:
82
83.. code-block:: console
84
85  % clang-cl -flto=thin -O2 -c file1.c file2.c
86  % lld-link /out:a.exe file1.obj file2.obj
87
88As mentioned earlier, by default the linkers will launch the ThinLTO backend
89threads in parallel, passing the resulting native object files back to the
90linker for the final native link.  As such, the usage model the same as
91non-LTO.
92
93With gold, if you see an error during the link of the form:
94
95.. code-block:: console
96
97  /usr/bin/ld: error: /path/to/clang/bin/../lib/LLVMgold.so: could not load plugin library: /path/to/clang/bin/../lib/LLVMgold.so: cannot open shared object file: No such file or directory
98
99Then either gold was not configured with plugins enabled, or clang
100was not built with ``-DLLVM_BINUTILS_INCDIR`` set properly. See
101the instructions for the
102`LLVM gold plugin <https://llvm.org/docs/GoldPlugin.html#how-to-build-it>`_.
103
104Controlling Backend Parallelism
105-------------------------------
106.. _parallelism:
107
108By default, the ThinLTO link step will launch as many
109threads in parallel as there are cores. If the number of
110cores can't be computed for the architecture, then it will launch
111``std::thread::hardware_concurrency`` number of threads in parallel.
112For machines with hyper-threading, this is the total number of
113virtual cores. For some applications and machine configurations this
114may be too aggressive, in which case the amount of parallelism can
115be reduced to ``N`` via:
116
117- gold:
118  ``-Wl,-plugin-opt,jobs=N``
119- ld64:
120  ``-Wl,-mllvm,-threads=N``
121- lld:
122  ``-Wl,--thinlto-jobs=N``
123- lld-link:
124  ``/opt:lldltojobs=N``
125
126Incremental
127-----------
128.. _incremental:
129
130ThinLTO supports fast incremental builds through the use of a cache,
131which currently must be enabled through a linker option.
132
133- gold (as of LLVM 4.0):
134  ``-Wl,-plugin-opt,cache-dir=/path/to/cache``
135- ld64 (support in clang 3.9 and Xcode 8):
136  ``-Wl,-cache_path_lto,/path/to/cache``
137- ELF lld (as of LLVM 5.0):
138  ``-Wl,--thinlto-cache-dir=/path/to/cache``
139- COFF lld-link (as of LLVM 6.0):
140  ``/lldltocache:/path/to/cache``
141
142Cache Pruning
143-------------
144
145To help keep the size of the cache under control, ThinLTO supports cache
146pruning. Cache pruning is supported with gold, ld64 and ELF and COFF lld, but
147currently only gold, ELF and COFF lld allow you to control the policy with a
148policy string. The cache policy must be specified with a linker option.
149
150- gold (as of LLVM 6.0):
151  ``-Wl,-plugin-opt,cache-policy=POLICY``
152- ELF lld (as of LLVM 5.0):
153  ``-Wl,--thinlto-cache-policy,POLICY``
154- COFF lld-link (as of LLVM 6.0):
155  ``/lldltocachepolicy:POLICY``
156
157A policy string is a series of key-value pairs separated by ``:`` characters.
158Possible key-value pairs are:
159
160- ``cache_size=X%``: The maximum size for the cache directory is ``X`` percent
161  of the available space on the disk. Set to 100 to indicate no limit,
162  50 to indicate that the cache size will not be left over half the available
163  disk space. A value over 100 is invalid. A value of 0 disables the percentage
164  size-based pruning. The default is 75%.
165
166- ``cache_size_bytes=X``, ``cache_size_bytes=Xk``, ``cache_size_bytes=Xm``,
167  ``cache_size_bytes=Xg``:
168  Sets the maximum size for the cache directory to ``X`` bytes (or KB, MB,
169  GB respectively). A value over the amount of available space on the disk
170  will be reduced to the amount of available space. A value of 0 disables
171  the byte size-based pruning. The default is no byte size-based pruning.
172
173  Note that ThinLTO will apply both size-based pruning policies simultaneously,
174  and changing one does not affect the other. For example, a policy of
175  ``cache_size_bytes=1g`` on its own will cause both the 1GB and default 75%
176  policies to be applied unless the default ``cache_size`` is overridden.
177
178- ``cache_size_files=X``:
179  Set the maximum number of files in the cache directory. Set to 0 to indicate
180  no limit. The default is 1000000 files.
181
182- ``prune_after=Xs``, ``prune_after=Xm``, ``prune_after=Xh``: Sets the
183  expiration time for cache files to ``X`` seconds (or minutes, hours
184  respectively).  When a file hasn't been accessed for ``prune_after`` seconds,
185  it is removed from the cache. A value of 0 disables the expiration-based
186  pruning. The default is 1 week.
187
188- ``prune_interval=Xs``, ``prune_interval=Xm``, ``prune_interval=Xh``:
189  Sets the pruning interval to ``X`` seconds (or minutes, hours
190  respectively). This is intended to be used to avoid scanning the directory
191  too often. It does not impact the decision of which files to prune. A
192  value of 0 forces the scan to occur. The default is every 20 minutes.
193
194Clang Bootstrap
195---------------
196
197To bootstrap clang/LLVM with ThinLTO, follow these steps:
198
1991. The host compiler_ must be a version of clang that supports ThinLTO.
200#. The host linker_ must support ThinLTO (and in the case of gold, must be
201   `configured with plugins enabled <https://llvm.org/docs/GoldPlugin.html>`_.
202#. Use the following additional `CMake variables
203   <https://llvm.org/docs/CMake.html#options-and-variables>`_
204   when configuring the bootstrap compiler build:
205
206  * ``-DLLVM_ENABLE_LTO=Thin``
207  * ``-DCMAKE_C_COMPILER=/path/to/host/clang``
208  * ``-DCMAKE_CXX_COMPILER=/path/to/host/clang++``
209  * ``-DCMAKE_RANLIB=/path/to/host/llvm-ranlib``
210  * ``-DCMAKE_AR=/path/to/host/llvm-ar``
211
212  Or, on Windows:
213
214  * ``-DLLVM_ENABLE_LTO=Thin``
215  * ``-DCMAKE_C_COMPILER=/path/to/host/clang-cl.exe``
216  * ``-DCMAKE_CXX_COMPILER=/path/to/host/clang-cl.exe``
217  * ``-DCMAKE_LINKER=/path/to/host/lld-link.exe``
218  * ``-DCMAKE_RANLIB=/path/to/host/llvm-ranlib.exe``
219  * ``-DCMAKE_AR=/path/to/host/llvm-ar.exe``
220
221#. To use additional linker arguments for controlling the backend
222   parallelism_ or enabling incremental_ builds of the bootstrap compiler,
223   after configuring the build, modify the resulting CMakeCache.txt file in the
224   build directory. Specify any additional linker options after
225   ``CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS:STRING=``. Note the configure may fail if
226   linker plugin options are instead specified directly in the previous step.
227
228More Information
229================
230
231* From LLVM project blog:
232  `ThinLTO: Scalable and Incremental LTO
233  <http://blog.llvm.org/2016/06/thinlto-scalable-and-incremental-lto.html>`_
234