Make the create...() functions for some of these passes return a FunctionPass *.
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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/Constant.h"
26 #include "llvm/Function.h"
27 #include "llvm/iMemory.h"
28 #include "llvm/iOther.h"
29 #include "llvm/Pass.h"
30 #include "llvm/Type.h"
31 #include "llvm/Analysis/ValueNumbering.h"
32 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
33 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
34 #include "llvm/Support/CFG.h"
35 #include "llvm/Target/TargetData.h"
36 #include <set>
37 using namespace llvm;
38
39 namespace {
40   // FIXME: This should not be a FunctionPass.
41   struct LoadVN : public FunctionPass, public ValueNumbering {
42     
43     /// Pass Implementation stuff.  This doesn't do any analysis.
44     ///
45     bool runOnFunction(Function &) { return false; }
46     
47     /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering
48     /// and Alias Analysis.
49     ///
50     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
51     
52     /// getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
53     /// specified Value.  This fills in the argument vector with any equal
54     /// values.
55     ///
56     virtual void getEqualNumberNodes(Value *V1,
57                                      std::vector<Value*> &RetVals) const;
58
59     /// deleteValue - This method should be called whenever an LLVM Value is
60     /// deleted from the program, for example when an instruction is found to be
61     /// redundant and is eliminated.
62     ///
63     virtual void deleteValue(Value *V) {
64       getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(V);
65     }
66     
67     /// copyValue - This method should be used whenever a preexisting value in
68     /// the program is copied or cloned, introducing a new value.  Note that
69     /// analysis implementations should tolerate clients that use this method to
70     /// introduce the same value multiple times: if the analysis already knows
71     /// about a value, it should ignore the request.
72     ///
73     virtual void copyValue(Value *From, Value *To) {
74       getAnalysis<AliasAnalysis>().copyValue(From, To);
75     }
76
77     /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls
78     /// that have the same value number.
79     void getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
80                                  std::vector<Value*> &RetVals) const;
81   };
82
83   // Register this pass...
84   RegisterOpt<LoadVN> X("load-vn", "Load Value Numbering");
85
86   // Declare that we implement the ValueNumbering interface
87   RegisterAnalysisGroup<ValueNumbering, LoadVN> Y;
88 }
89
90 FunctionPass *llvm::createLoadValueNumberingPass() { return new LoadVN(); }
91
92
93 /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering and
94 /// Alias Analysis.
95 ///
96 void LoadVN::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
97   AU.setPreservesAll();
98   AU.addRequired<AliasAnalysis>();
99   AU.addRequired<ValueNumbering>();
100   AU.addRequired<DominatorSet>();
101   AU.addRequired<TargetData>();
102 }
103
104 static bool isPathTransparentTo(BasicBlock *CurBlock, BasicBlock *Dom,
105                                 Value *Ptr, unsigned Size, AliasAnalysis &AA,
106                                 std::set<BasicBlock*> &Visited,
107                                 std::map<BasicBlock*, bool> &TransparentBlocks){
108   // If we have already checked out this path, or if we reached our destination,
109   // stop searching, returning success.
110   if (CurBlock == Dom || !Visited.insert(CurBlock).second)
111     return true;
112   
113   // Check whether this block is known transparent or not.
114   std::map<BasicBlock*, bool>::iterator TBI =
115     TransparentBlocks.lower_bound(CurBlock);
116
117   if (TBI == TransparentBlocks.end() || TBI->first != CurBlock) {
118     // If this basic block can modify the memory location, then the path is not
119     // transparent!
120     if (AA.canBasicBlockModify(*CurBlock, Ptr, Size)) {
121       TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, false));
122       return false;
123     }
124     TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, true));
125   } else if (!TBI->second)
126     // This block is known non-transparent, so that path can't be either.
127     return false;
128   
129   // The current block is known to be transparent.  The entire path is
130   // transparent if all of the predecessors paths to the parent is also
131   // transparent to the memory location.
132   for (pred_iterator PI = pred_begin(CurBlock), E = pred_end(CurBlock);
133        PI != E; ++PI)
134     if (!isPathTransparentTo(*PI, Dom, Ptr, Size, AA, Visited,
135                              TransparentBlocks))
136       return false;
137   return true;
138 }
139
140 /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls that
141 /// have the same value number.
142 void LoadVN::getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
143                                      std::vector<Value*> &RetVals) const {
144   Function *CF = CI->getCalledFunction();
145   if (CF == 0) return;  // Indirect call.
146   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
147   if (!AA.onlyReadsMemory(CF)) return;  // Nothing we can do.
148
149   // Scan all of the arguments of the function, looking for one that is not
150   // global.  In particular, we would prefer to have an argument or instruction
151   // operand to chase the def-use chains of.
152   Value *Op = CF;
153   for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
154     if (isa<Argument>(CI->getOperand(i)) ||
155         isa<Instruction>(CI->getOperand(i))) {
156       Op = CI->getOperand(i);
157       break;
158     }
159
160   // Identify all lexically identical calls in this function.
161   std::vector<CallInst*> IdenticalCalls;
162
163   Function *CIFunc = CI->getParent()->getParent();
164   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), E = Op->use_end(); UI != E;
165        ++UI)
166     if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(*UI))
167       if (C->getNumOperands() == CI->getNumOperands() &&
168           C->getOperand(0) == CI->getOperand(0) &&
169           C->getParent()->getParent() == CIFunc && C != CI) {
170         bool AllOperandsEqual = true;
171         for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
172           if (C->getOperand(i) != CI->getOperand(i)) {
173             AllOperandsEqual = false;
174             break;
175           }
176
177         if (AllOperandsEqual)
178           IdenticalCalls.push_back(C);
179       }
180   
181   if (IdenticalCalls.empty()) return;
182
183   // Eliminate duplicates, which could occur if we chose a value that is passed
184   // into a call site multiple times.
185   std::sort(IdenticalCalls.begin(), IdenticalCalls.end());
186   IdenticalCalls.erase(std::unique(IdenticalCalls.begin(),IdenticalCalls.end()),
187                        IdenticalCalls.end());
188
189   // If the call reads memory, we must make sure that there are no stores
190   // between the calls in question.
191   //
192   // FIXME: This should use mod/ref information.  What we really care about it
193   // whether an intervening instruction could modify memory that is read, not
194   // ANY memory.
195   //
196   if (!AA.doesNotAccessMemory(CF)) {
197     DominatorSet &DomSetInfo = getAnalysis<DominatorSet>();
198     BasicBlock *CIBB = CI->getParent();
199     for (unsigned i = 0; i != IdenticalCalls.size(); ++i) {
200       CallInst *C = IdenticalCalls[i];
201       bool CantEqual = false;
202
203       if (DomSetInfo.dominates(CIBB, C->getParent())) {
204         // FIXME: we currently only handle the case where both calls are in the
205         // same basic block.
206         if (CIBB != C->getParent()) {
207           CantEqual = true;
208         } else {
209           Instruction *First = CI, *Second = C;
210           if (!DomSetInfo.dominates(CI, C))
211             std::swap(First, Second);
212           
213           // Scan the instructions between the calls, checking for stores or
214           // calls to dangerous functions.
215           BasicBlock::iterator I = First;
216           for (++First; I != BasicBlock::iterator(Second); ++I) {
217             if (isa<StoreInst>(I)) {
218               // FIXME: We could use mod/ref information to make this much
219               // better!
220               CantEqual = true;
221               break;
222             } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
223               if (CI->getCalledFunction() == 0 ||
224                   !AA.onlyReadsMemory(CI->getCalledFunction())) {
225                 CantEqual = true;
226                 break;
227               }
228             } else if (I->mayWriteToMemory()) {
229               CantEqual = true;
230               break;
231             }
232           }
233         }
234
235       } else if (DomSetInfo.dominates(C->getParent(), CIBB)) {
236         // FIXME: We could implement this, but we don't for now.
237         CantEqual = true;
238       } else {
239         // FIXME: if one doesn't dominate the other, we can't tell yet.
240         CantEqual = true;
241       }
242
243
244       if (CantEqual) {
245         // This call does not produce the same value as the one in the query.
246         std::swap(IdenticalCalls[i--], IdenticalCalls.back());
247         IdenticalCalls.pop_back();
248       }
249     }
250   }
251
252   // Any calls that are identical and not destroyed will produce equal values!
253   for (unsigned i = 0, e = IdenticalCalls.size(); i != e; ++i)
254     RetVals.push_back(IdenticalCalls[i]);
255 }
256
257 // getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
258 // specified Value.  This fills in the argument vector with any equal values.
259 //
260 void LoadVN::getEqualNumberNodes(Value *V,
261                                  std::vector<Value*> &RetVals) const {
262   // If the alias analysis has any must alias information to share with us, we
263   // can definitely use it.
264   if (isa<PointerType>(V->getType()))
265     getAnalysis<AliasAnalysis>().getMustAliases(V, RetVals);
266
267   if (!isa<LoadInst>(V)) {
268     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(V))
269       getCallEqualNumberNodes(CI, RetVals);
270
271     // Not a load instruction?  Just chain to the base value numbering
272     // implementation to satisfy the request...
273     assert(&getAnalysis<ValueNumbering>() != (ValueNumbering*)this &&
274            "getAnalysis() returned this!");
275
276     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
277   }
278
279   // Volatile loads cannot be replaced with the value of other loads.
280   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(V);
281   if (LI->isVolatile())
282     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
283   
284   // If we have a load instruction, find all of the load and store instructions
285   // that use the same source operand.  We implement this recursively, because
286   // there could be a load of a load of a load that are all identical.  We are
287   // guaranteed that this cannot be an infinite recursion because load
288   // instructions would have to pass through a PHI node in order for there to be
289   // a cycle.  The PHI node would be handled by the else case here, breaking the
290   // infinite recursion.
291   //
292   std::vector<Value*> PointerSources;
293   getEqualNumberNodes(LI->getOperand(0), PointerSources);
294   PointerSources.push_back(LI->getOperand(0));
295   
296   BasicBlock *LoadBB = LI->getParent();
297   Function *F = LoadBB->getParent();
298   
299   // Now that we know the set of equivalent source pointers for the load
300   // instruction, look to see if there are any load or store candidates that are
301   // identical.
302   //
303   std::map<BasicBlock*, std::vector<LoadInst*> >  CandidateLoads;
304   std::map<BasicBlock*, std::vector<StoreInst*> > CandidateStores;
305   std::set<AllocationInst*> Allocations;
306   
307   while (!PointerSources.empty()) {
308     Value *Source = PointerSources.back();
309     PointerSources.pop_back();                // Get a source pointer...
310
311     if (AllocationInst *AI = dyn_cast<AllocationInst>(Source))
312       Allocations.insert(AI);
313     
314     for (Value::use_iterator UI = Source->use_begin(), UE = Source->use_end();
315          UI != UE; ++UI)
316       if (LoadInst *Cand = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {// Is a load of source?
317         if (Cand->getParent()->getParent() == F &&   // In the same function?
318             Cand != LI && !Cand->isVolatile())       // Not LI itself?
319           CandidateLoads[Cand->getParent()].push_back(Cand);     // Got one...
320       } else if (StoreInst *Cand = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
321         if (Cand->getParent()->getParent() == F && !Cand->isVolatile() &&
322             Cand->getOperand(1) == Source)  // It's a store THROUGH the ptr...
323           CandidateStores[Cand->getParent()].push_back(Cand);
324       }
325   }
326   
327   // Get alias analysis & dominators.
328   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
329   DominatorSet &DomSetInfo = getAnalysis<DominatorSet>();
330   Value *LoadPtr = LI->getOperand(0);
331   // Find out how many bytes of memory are loaded by the load instruction...
332   unsigned LoadSize = getAnalysis<TargetData>().getTypeSize(LI->getType());
333
334   // Find all of the candidate loads and stores that are in the same block as
335   // the defining instruction.
336   std::set<Instruction*> Instrs;
337   Instrs.insert(CandidateLoads[LoadBB].begin(), CandidateLoads[LoadBB].end());
338   CandidateLoads.erase(LoadBB);
339   Instrs.insert(CandidateStores[LoadBB].begin(), CandidateStores[LoadBB].end());
340   CandidateStores.erase(LoadBB);
341
342   // Figure out if the load is invalidated from the entry of the block it is in
343   // until the actual instruction.  This scans the block backwards from LI.  If
344   // we see any candidate load or store instructions, then we know that the
345   // candidates have the same value # as LI.
346   bool LoadInvalidatedInBBBefore = false;
347   for (BasicBlock::iterator I = LI; I != LoadBB->begin(); ) {
348     --I;
349     // If this instruction is a candidate load before LI, we know there are no
350     // invalidating instructions between it and LI, so they have the same value
351     // number.
352     if (isa<LoadInst>(I) && Instrs.count(I)) {
353       RetVals.push_back(I);
354       Instrs.erase(I);
355     } else if (AllocationInst *AI = dyn_cast<AllocationInst>(I)) {
356       // If we run into an allocation of the value being loaded, then the
357       // contenxt are not initialized.  We can return any value, so we will
358       // return a zero.
359       if (Allocations.count(AI)) {
360         LoadInvalidatedInBBBefore = true;
361         RetVals.push_back(Constant::getNullValue(LI->getType()));
362         break;
363       }
364     }
365
366     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
367       // If the invalidating instruction is a store, and its in our candidate
368       // set, then we can do store-load forwarding: the load has the same value
369       // # as the stored value.
370       if (isa<StoreInst>(I) && Instrs.count(I)) {
371         Instrs.erase(I);
372         RetVals.push_back(I->getOperand(0));
373       }
374
375       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
376       break;
377     }
378   }
379
380   // Figure out if the load is invalidated between the load and the exit of the
381   // block it is defined in.  While we are scanning the current basic block, if
382   // we see any candidate loads, then we know they have the same value # as LI.
383   //
384   bool LoadInvalidatedInBBAfter = false;
385   for (BasicBlock::iterator I = LI->getNext(); I != LoadBB->end(); ++I) {
386     // If this instruction is a load, then this instruction returns the same
387     // value as LI.
388     if (isa<LoadInst>(I) && Instrs.count(I)) {
389       RetVals.push_back(I);
390       Instrs.erase(I);
391     }
392
393     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
394       LoadInvalidatedInBBAfter = true;
395       break;
396     }
397   }
398
399   // If there is anything left in the Instrs set, it could not possibly equal
400   // LI.
401   Instrs.clear();
402
403   // TransparentBlocks - For each basic block the load/store is alive across,
404   // figure out if the pointer is invalidated or not.  If it is invalidated, the
405   // boolean is set to false, if it's not it is set to true.  If we don't know
406   // yet, the entry is not in the map.
407   std::map<BasicBlock*, bool> TransparentBlocks;
408
409   // Loop over all of the basic blocks that also load the value.  If the value
410   // is live across the CFG from the source to destination blocks, and if the
411   // value is not invalidated in either the source or destination blocks, add it
412   // to the equivalence sets.
413   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<LoadInst*> >::iterator
414          I = CandidateLoads.begin(), E = CandidateLoads.end(); I != E; ++I) {
415     bool CantEqual = false;
416
417     // Right now we only can handle cases where one load dominates the other.
418     // FIXME: generalize this!
419     BasicBlock *BB1 = I->first, *BB2 = LoadBB;
420     if (DomSetInfo.dominates(BB1, BB2)) {
421       // The other load dominates LI.  If the loaded value is killed entering
422       // the LoadBB block, we know the load is not live.
423       if (LoadInvalidatedInBBBefore)
424         CantEqual = true;
425     } else if (DomSetInfo.dominates(BB2, BB1)) {
426       std::swap(BB1, BB2);          // Canonicalize
427       // LI dominates the other load.  If the loaded value is killed exiting
428       // the LoadBB block, we know the load is not live.
429       if (LoadInvalidatedInBBAfter)
430         CantEqual = true;
431     } else {
432       // None of these loads can VN the same.
433       CantEqual = true;
434     }
435
436     if (!CantEqual) {
437       // Ok, at this point, we know that BB1 dominates BB2, and that there is
438       // nothing in the LI block that kills the loaded value.  Check to see if
439       // the value is live across the CFG.
440       std::set<BasicBlock*> Visited;
441       for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), E = pred_end(BB2); PI!=E; ++PI)
442         if (!isPathTransparentTo(*PI, BB1, LoadPtr, LoadSize, AA,
443                                  Visited, TransparentBlocks)) {
444           // None of these loads can VN the same.
445           CantEqual = true;
446           break;
447         }
448     }
449
450     // If the loads can equal so far, scan the basic block that contains the
451     // loads under consideration to see if they are invalidated in the block.
452     // For any loads that are not invalidated, add them to the equivalence
453     // set!
454     if (!CantEqual) {
455       Instrs.insert(I->second.begin(), I->second.end());
456       if (BB1 == LoadBB) {
457         // If LI dominates the block in question, check to see if any of the
458         // loads in this block are invalidated before they are reached.
459         for (BasicBlock::iterator BBI = I->first->begin(); ; ++BBI) {
460           if (isa<LoadInst>(BBI) && Instrs.count(BBI)) {
461             // The load is in the set!
462             RetVals.push_back(BBI);
463             Instrs.erase(BBI);
464             if (Instrs.empty()) break;
465           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
466                              & AliasAnalysis::Mod) {
467             // If there is a modifying instruction, nothing below it will value
468             // # the same.
469             break;
470           }
471         }
472       } else {
473         // If the block dominates LI, make sure that the loads in the block are
474         // not invalidated before the block ends.
475         BasicBlock::iterator BBI = I->first->end();
476         while (1) {
477           --BBI;
478           if (isa<LoadInst>(BBI) && Instrs.count(BBI)) {
479             // The load is in the set!
480             RetVals.push_back(BBI);
481             Instrs.erase(BBI);
482             if (Instrs.empty()) break;
483           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
484                              & AliasAnalysis::Mod) {
485             // If there is a modifying instruction, nothing above it will value
486             // # the same.
487             break;
488           }
489         }
490       }
491
492       Instrs.clear();
493     }
494   }
495
496   // Handle candidate stores.  If the loaded location is clobbered on entrance
497   // to the LoadBB, no store outside of the LoadBB can value number equal, so
498   // quick exit.
499   if (LoadInvalidatedInBBBefore)
500     return;
501
502   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<StoreInst*> >::iterator
503          I = CandidateStores.begin(), E = CandidateStores.end(); I != E; ++I)
504     if (DomSetInfo.dominates(I->first, LoadBB)) {
505       // Check to see if the path from the store to the load is transparent
506       // w.r.t. the memory location.
507       bool CantEqual = false;
508       std::set<BasicBlock*> Visited;
509       for (pred_iterator PI = pred_begin(LoadBB), E = pred_end(LoadBB);
510            PI != E; ++PI)
511         if (!isPathTransparentTo(*PI, I->first, LoadPtr, LoadSize, AA,
512                                  Visited, TransparentBlocks)) {
513           // None of these stores can VN the same.
514           CantEqual = true;
515           break;
516         }
517       Visited.clear();
518       if (!CantEqual) {
519         // Okay, the path from the store block to the load block is clear, and
520         // we know that there are no invalidating instructions from the start
521         // of the load block to the load itself.  Now we just scan the store
522         // block.
523
524         BasicBlock::iterator BBI = I->first->end();
525         while (1) {
526           assert(BBI != I->first->begin() &&
527                  "There is a store in this block of the pointer, but the store"
528                  " doesn't mod the address being stored to??  Must be a bug in"
529                  " the alias analysis implementation!");
530           --BBI;
531           if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
532             // If the invalidating instruction is one of the candidates,
533             // then it provides the value the load loads.
534             if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(BBI))
535               if (std::find(I->second.begin(), I->second.end(), SI) !=
536                   I->second.end())
537                 RetVals.push_back(SI->getOperand(0));
538             break;
539           }
540         }
541       }
542     }
543 }