Teach constant folding that an inttoptr of a
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / LoadValueNumbering.cpp
1 //===- LoadValueNumbering.cpp - Load Value #'ing Implementation -*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file implements a value numbering pass that value numbers load and call
11 // instructions.  To do this, it finds lexically identical load instructions,
12 // and uses alias analysis to determine which loads are guaranteed to produce
13 // the same value.  To value number call instructions, it looks for calls to
14 // functions that do not write to memory which do not have intervening
15 // instructions that clobber the memory that is read from.
16 //
17 // This pass builds off of another value numbering pass to implement value
18 // numbering for non-load and non-call instructions.  It uses Alias Analysis so
19 // that it can disambiguate the load instructions.  The more powerful these base
20 // analyses are, the more powerful the resultant value numbering will be.
21 //
22 //===----------------------------------------------------------------------===//
23
24 #include "llvm/Analysis/LoadValueNumbering.h"
25 #include "llvm/Constants.h"
26 #include "llvm/Function.h"
27 #include "llvm/Instructions.h"
28 #include "llvm/Pass.h"
29 #include "llvm/Type.h"
30 #include "llvm/Analysis/ValueNumbering.h"
31 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
32 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/Compiler.h"
35 #include "llvm/Target/TargetData.h"
36 #include <set>
37 #include <algorithm>
38 using namespace llvm;
39
40 namespace {
41   // FIXME: This should not be a FunctionPass.
42   struct VISIBILITY_HIDDEN LoadVN : public FunctionPass, public ValueNumbering {
43     static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
44     LoadVN() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
45
46     /// Pass Implementation stuff.  This doesn't do any analysis.
47     ///
48     bool runOnFunction(Function &) { return false; }
49
50     /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering
51     /// and Alias Analysis.
52     ///
53     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
54
55     /// getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
56     /// specified Value.  This fills in the argument vector with any equal
57     /// values.
58     ///
59     virtual void getEqualNumberNodes(Value *V1,
60                                      std::vector<Value*> &RetVals) const;
61
62     /// deleteValue - This method should be called whenever an LLVM Value is
63     /// deleted from the program, for example when an instruction is found to be
64     /// redundant and is eliminated.
65     ///
66     virtual void deleteValue(Value *V) {
67       getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(V);
68     }
69
70     /// copyValue - This method should be used whenever a preexisting value in
71     /// the program is copied or cloned, introducing a new value.  Note that
72     /// analysis implementations should tolerate clients that use this method to
73     /// introduce the same value multiple times: if the analysis already knows
74     /// about a value, it should ignore the request.
75     ///
76     virtual void copyValue(Value *From, Value *To) {
77       getAnalysis<AliasAnalysis>().copyValue(From, To);
78     }
79
80     /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls
81     /// that have the same value number.
82     void getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
83                                  std::vector<Value*> &RetVals) const;
84   };
85 }
86
87 char LoadVN::ID = 0;
88 // Register this pass...
89 static RegisterPass<LoadVN>
90 X("load-vn", "Load Value Numbering", false, true);
91
92 // Declare that we implement the ValueNumbering interface
93 static RegisterAnalysisGroup<ValueNumbering> Y(X);
94
95 FunctionPass *llvm::createLoadValueNumberingPass() { return new LoadVN(); }
96
97
98 /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering and
99 /// Alias Analysis.
100 ///
101 void LoadVN::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
102   AU.setPreservesAll();
103   AU.addRequiredTransitive<AliasAnalysis>();
104   AU.addRequired<ValueNumbering>();
105   AU.addRequiredTransitive<DominatorTree>();
106   AU.addRequiredTransitive<TargetData>();
107 }
108
109 static bool isPathTransparentTo(BasicBlock *CurBlock, BasicBlock *Dom,
110                                 Value *Ptr, unsigned Size, AliasAnalysis &AA,
111                                 std::set<BasicBlock*> &Visited,
112                                 std::map<BasicBlock*, bool> &TransparentBlocks){
113   // If we have already checked out this path, or if we reached our destination,
114   // stop searching, returning success.
115   if (CurBlock == Dom || !Visited.insert(CurBlock).second)
116     return true;
117
118   // Check whether this block is known transparent or not.
119   std::map<BasicBlock*, bool>::iterator TBI =
120     TransparentBlocks.find(CurBlock);
121
122   if (TBI == TransparentBlocks.end()) {
123     // If this basic block can modify the memory location, then the path is not
124     // transparent!
125     if (AA.canBasicBlockModify(*CurBlock, Ptr, Size)) {
126       TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, false));
127       return false;
128     }
129     TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, true));
130   } else if (!TBI->second)
131     // This block is known non-transparent, so that path can't be either.
132     return false;
133
134   // The current block is known to be transparent.  The entire path is
135   // transparent if all of the predecessors paths to the parent is also
136   // transparent to the memory location.
137   for (pred_iterator PI = pred_begin(CurBlock), E = pred_end(CurBlock);
138        PI != E; ++PI)
139     if (!isPathTransparentTo(*PI, Dom, Ptr, Size, AA, Visited,
140                              TransparentBlocks))
141       return false;
142   return true;
143 }
144
145 /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls that
146 /// have the same value number.
147 void LoadVN::getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
148                                      std::vector<Value*> &RetVals) const {
149   Function *CF = CI->getCalledFunction();
150   if (CF == 0) return;  // Indirect call.
151   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
152   AliasAnalysis::ModRefBehavior MRB = AA.getModRefBehavior(CI);
153   if (MRB != AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory &&
154       MRB != AliasAnalysis::OnlyReadsMemory)
155     return;  // Nothing we can do for now.
156
157   // Scan all of the arguments of the function, looking for one that is not
158   // global.  In particular, we would prefer to have an argument or instruction
159   // operand to chase the def-use chains of.
160   Value *Op = CF;
161   for (User::op_iterator i = CI->op_begin() + 1, e = CI->op_end(); i != e; ++i)
162     if (isa<Argument>(*i) ||
163         isa<Instruction>(*i)) {
164       Op = *i;
165       break;
166     }
167
168   // Identify all lexically identical calls in this function.
169   std::vector<CallInst*> IdenticalCalls;
170
171   Function *CIFunc = CI->getParent()->getParent();
172   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), E = Op->use_end(); UI != E;
173        ++UI)
174     if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(*UI))
175       if (C->getNumOperands() == CI->getNumOperands() &&
176           C->getOperand(0) == CI->getOperand(0) &&
177           C->getParent()->getParent() == CIFunc && C != CI) {
178         bool AllOperandsEqual = true;
179         for (User::op_iterator i = CI->op_begin() + 1, j = C->op_begin() + 1,
180              e = CI->op_end(); i != e; ++i, ++j)
181           if (*j != *i) {
182             AllOperandsEqual = false;
183             break;
184           }
185
186         if (AllOperandsEqual)
187           IdenticalCalls.push_back(C);
188       }
189
190   if (IdenticalCalls.empty()) return;
191
192   // Eliminate duplicates, which could occur if we chose a value that is passed
193   // into a call site multiple times.
194   std::sort(IdenticalCalls.begin(), IdenticalCalls.end());
195   IdenticalCalls.erase(std::unique(IdenticalCalls.begin(),IdenticalCalls.end()),
196                        IdenticalCalls.end());
197
198   // If the call reads memory, we must make sure that there are no stores
199   // between the calls in question.
200   //
201   // FIXME: This should use mod/ref information.  What we really care about it
202   // whether an intervening instruction could modify memory that is read, not
203   // ANY memory.
204   //
205   if (MRB == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
206     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
207     BasicBlock *CIBB = CI->getParent();
208     for (unsigned i = 0; i != IdenticalCalls.size(); ++i) {
209       CallInst *C = IdenticalCalls[i];
210       bool CantEqual = false;
211
212       if (DT.dominates(CIBB, C->getParent())) {
213         // FIXME: we currently only handle the case where both calls are in the
214         // same basic block.
215         if (CIBB != C->getParent()) {
216           CantEqual = true;
217         } else {
218           Instruction *First = CI, *Second = C;
219           if (!DT.dominates(CI, C))
220             std::swap(First, Second);
221
222           // Scan the instructions between the calls, checking for stores or
223           // calls to dangerous functions.
224           BasicBlock::iterator I = First;
225           for (++First; I != BasicBlock::iterator(Second); ++I) {
226             if (isa<StoreInst>(I)) {
227               // FIXME: We could use mod/ref information to make this much
228               // better!
229               CantEqual = true;
230               break;
231             } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
232               if (!AA.onlyReadsMemory(CI)) {
233                 CantEqual = true;
234                 break;
235               }
236             } else if (I->mayWriteToMemory()) {
237               CantEqual = true;
238               break;
239             }
240           }
241         }
242
243       } else if (DT.dominates(C->getParent(), CIBB)) {
244         // FIXME: We could implement this, but we don't for now.
245         CantEqual = true;
246       } else {
247         // FIXME: if one doesn't dominate the other, we can't tell yet.
248         CantEqual = true;
249       }
250
251
252       if (CantEqual) {
253         // This call does not produce the same value as the one in the query.
254         std::swap(IdenticalCalls[i--], IdenticalCalls.back());
255         IdenticalCalls.pop_back();
256       }
257     }
258   }
259
260   // Any calls that are identical and not destroyed will produce equal values!
261   for (unsigned i = 0, e = IdenticalCalls.size(); i != e; ++i)
262     RetVals.push_back(IdenticalCalls[i]);
263 }
264
265 // getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
266 // specified Value.  This fills in the argument vector with any equal values.
267 //
268 void LoadVN::getEqualNumberNodes(Value *V,
269                                  std::vector<Value*> &RetVals) const {
270   // If the alias analysis has any must alias information to share with us, we
271   // can definitely use it.
272   if (isa<PointerType>(V->getType()))
273     getAnalysis<AliasAnalysis>().getMustAliases(V, RetVals);
274
275   if (!isa<LoadInst>(V)) {
276     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(V))
277       getCallEqualNumberNodes(CI, RetVals);
278
279     // Not a load instruction?  Just chain to the base value numbering
280     // implementation to satisfy the request...
281     assert(&getAnalysis<ValueNumbering>() != (ValueNumbering*)this &&
282            "getAnalysis() returned this!");
283
284     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
285   }
286
287   // Volatile loads cannot be replaced with the value of other loads.
288   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(V);
289   if (LI->isVolatile())
290     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
291
292   Value *LoadPtr = LI->getOperand(0);
293   BasicBlock *LoadBB = LI->getParent();
294   Function *F = LoadBB->getParent();
295
296   // Find out how many bytes of memory are loaded by the load instruction...
297   unsigned LoadSize = getAnalysis<TargetData>().getTypeStoreSize(LI->getType());
298   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
299
300   // Figure out if the load is invalidated from the entry of the block it is in
301   // until the actual instruction.  This scans the block backwards from LI.  If
302   // we see any candidate load or store instructions, then we know that the
303   // candidates have the same value # as LI.
304   bool LoadInvalidatedInBBBefore = false;
305   for (BasicBlock::iterator I = LI; I != LoadBB->begin(); ) {
306     --I;
307     if (I == LoadPtr) {
308       // If we run into an allocation of the value being loaded, then the
309       // contents are not initialized.
310       if (isa<AllocationInst>(I))
311         RetVals.push_back(UndefValue::get(LI->getType()));
312
313       // Otherwise, since this is the definition of what we are loading, this
314       // loaded value cannot occur before this block.
315       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
316       break;
317     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
318       // If this instruction is a candidate load before LI, we know there are no
319       // invalidating instructions between it and LI, so they have the same
320       // value number.
321       if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile())
322         RetVals.push_back(I);
323     }
324
325     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
326       // If the invalidating instruction is a store, and its in our candidate
327       // set, then we can do store-load forwarding: the load has the same value
328       // # as the stored value.
329       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
330         if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
331           RetVals.push_back(I->getOperand(0));
332
333       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
334       break;
335     }
336   }
337
338   // Figure out if the load is invalidated between the load and the exit of the
339   // block it is defined in.  While we are scanning the current basic block, if
340   // we see any candidate loads, then we know they have the same value # as LI.
341   //
342   bool LoadInvalidatedInBBAfter = false;
343   {
344     BasicBlock::iterator I = LI;
345     for (++I; I != LoadBB->end(); ++I) {
346       // If this instruction is a load, then this instruction returns the same
347       // value as LI.
348       if (isa<LoadInst>(I) && cast<LoadInst>(I)->getOperand(0) == LoadPtr)
349         RetVals.push_back(I);
350
351       if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
352         LoadInvalidatedInBBAfter = true;
353         break;
354       }
355     }
356   }
357
358   // If the pointer is clobbered on entry and on exit to the function, there is
359   // no need to do any global analysis at all.
360   if (LoadInvalidatedInBBBefore && LoadInvalidatedInBBAfter)
361     return;
362
363   // Now that we know the value is not neccesarily killed on entry or exit to
364   // the BB, find out how many load and store instructions (to this location)
365   // live in each BB in the function.
366   //
367   std::map<BasicBlock*, unsigned>  CandidateLoads;
368   std::set<BasicBlock*> CandidateStores;
369
370   for (Value::use_iterator UI = LoadPtr->use_begin(), UE = LoadPtr->use_end();
371        UI != UE; ++UI)
372     if (LoadInst *Cand = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {// Is a load of source?
373       if (Cand->getParent()->getParent() == F &&   // In the same function?
374           // Not in LI's block?
375           Cand->getParent() != LoadBB && !Cand->isVolatile())
376         ++CandidateLoads[Cand->getParent()];       // Got one.
377     } else if (StoreInst *Cand = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
378       if (Cand->getParent()->getParent() == F && !Cand->isVolatile() &&
379           Cand->getOperand(1) == LoadPtr) // It's a store THROUGH the ptr.
380         CandidateStores.insert(Cand->getParent());
381     }
382
383   // Get dominators.
384   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
385
386   // TransparentBlocks - For each basic block the load/store is alive across,
387   // figure out if the pointer is invalidated or not.  If it is invalidated, the
388   // boolean is set to false, if it's not it is set to true.  If we don't know
389   // yet, the entry is not in the map.
390   std::map<BasicBlock*, bool> TransparentBlocks;
391
392   // Loop over all of the basic blocks that also load the value.  If the value
393   // is live across the CFG from the source to destination blocks, and if the
394   // value is not invalidated in either the source or destination blocks, add it
395   // to the equivalence sets.
396   for (std::map<BasicBlock*, unsigned>::iterator
397          I = CandidateLoads.begin(), E = CandidateLoads.end(); I != E; ++I) {
398     bool CantEqual = false;
399
400     // Right now we only can handle cases where one load dominates the other.
401     // FIXME: generalize this!
402     BasicBlock *BB1 = I->first, *BB2 = LoadBB;
403     if (DT.dominates(BB1, BB2)) {
404       // The other load dominates LI.  If the loaded value is killed entering
405       // the LoadBB block, we know the load is not live.
406       if (LoadInvalidatedInBBBefore)
407         CantEqual = true;
408     } else if (DT.dominates(BB2, BB1)) {
409       std::swap(BB1, BB2);          // Canonicalize
410       // LI dominates the other load.  If the loaded value is killed exiting
411       // the LoadBB block, we know the load is not live.
412       if (LoadInvalidatedInBBAfter)
413         CantEqual = true;
414     } else {
415       // None of these loads can VN the same.
416       CantEqual = true;
417     }
418
419     if (!CantEqual) {
420       // Ok, at this point, we know that BB1 dominates BB2, and that there is
421       // nothing in the LI block that kills the loaded value.  Check to see if
422       // the value is live across the CFG.
423       std::set<BasicBlock*> Visited;
424       for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), E = pred_end(BB2); PI!=E; ++PI)
425         if (!isPathTransparentTo(*PI, BB1, LoadPtr, LoadSize, AA,
426                                  Visited, TransparentBlocks)) {
427           // None of these loads can VN the same.
428           CantEqual = true;
429           break;
430         }
431     }
432
433     // If the loads can equal so far, scan the basic block that contains the
434     // loads under consideration to see if they are invalidated in the block.
435     // For any loads that are not invalidated, add them to the equivalence
436     // set!
437     if (!CantEqual) {
438       unsigned NumLoads = I->second;
439       if (BB1 == LoadBB) {
440         // If LI dominates the block in question, check to see if any of the
441         // loads in this block are invalidated before they are reached.
442         for (BasicBlock::iterator BBI = I->first->begin(); ; ++BBI) {
443           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
444             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
445               // The load is in the set!
446               RetVals.push_back(BBI);
447               if (--NumLoads == 0) break;  // Found last load to check.
448             }
449           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
450                                 & AliasAnalysis::Mod) {
451             // If there is a modifying instruction, nothing below it will value
452             // # the same.
453             break;
454           }
455         }
456       } else {
457         // If the block dominates LI, make sure that the loads in the block are
458         // not invalidated before the block ends.
459         BasicBlock::iterator BBI = I->first->end();
460         while (1) {
461           --BBI;
462           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
463             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
464               // The load is the same as this load!
465               RetVals.push_back(BBI);
466               if (--NumLoads == 0) break;  // Found all of the laods.
467             }
468           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
469                              & AliasAnalysis::Mod) {
470             // If there is a modifying instruction, nothing above it will value
471             // # the same.
472             break;
473           }
474         }
475       }
476     }
477   }
478
479   // Handle candidate stores.  If the loaded location is clobbered on entrance
480   // to the LoadBB, no store outside of the LoadBB can value number equal, so
481   // quick exit.
482   if (LoadInvalidatedInBBBefore)
483     return;
484
485   // Stores in the load-bb are handled above.
486   CandidateStores.erase(LoadBB);
487
488   for (std::set<BasicBlock*>::iterator I = CandidateStores.begin(),
489          E = CandidateStores.end(); I != E; ++I)
490     if (DT.dominates(*I, LoadBB)) {
491       BasicBlock *StoreBB = *I;
492
493       // Check to see if the path from the store to the load is transparent
494       // w.r.t. the memory location.
495       bool CantEqual = false;
496       std::set<BasicBlock*> Visited;
497       for (pred_iterator PI = pred_begin(LoadBB), E = pred_end(LoadBB);
498            PI != E; ++PI)
499         if (!isPathTransparentTo(*PI, StoreBB, LoadPtr, LoadSize, AA,
500                                  Visited, TransparentBlocks)) {
501           // None of these stores can VN the same.
502           CantEqual = true;
503           break;
504         }
505       Visited.clear();
506       if (!CantEqual) {
507         // Okay, the path from the store block to the load block is clear, and
508         // we know that there are no invalidating instructions from the start
509         // of the load block to the load itself.  Now we just scan the store
510         // block.
511
512         BasicBlock::iterator BBI = StoreBB->end();
513         while (1) {
514           assert(BBI != StoreBB->begin() &&
515                  "There is a store in this block of the pointer, but the store"
516                  " doesn't mod the address being stored to??  Must be a bug in"
517                  " the alias analysis implementation!");
518           --BBI;
519           if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
520             // If the invalidating instruction is one of the candidates,
521             // then it provides the value the load loads.
522             if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(BBI))
523               if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
524                 RetVals.push_back(SI->getOperand(0));
525             break;
526           }
527         }
528       }
529     }
530 }