the correct fix was to fix AliasAnalysis.getModRefInfo
[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/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/Target/TargetData.h"
35 #include <set>
36 #include <algorithm>
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   AliasAnalysis::ModRefBehavior MRB = AA.getModRefBehavior(CF, CI);
148   if (MRB != AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory &&
149       MRB != AliasAnalysis::OnlyReadsMemory)
150     return;  // Nothing we can do for now.
151
152   // Scan all of the arguments of the function, looking for one that is not
153   // global.  In particular, we would prefer to have an argument or instruction
154   // operand to chase the def-use chains of.
155   Value *Op = CF;
156   for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
157     if (isa<Argument>(CI->getOperand(i)) ||
158         isa<Instruction>(CI->getOperand(i))) {
159       Op = CI->getOperand(i);
160       break;
161     }
162
163   // Identify all lexically identical calls in this function.
164   std::vector<CallInst*> IdenticalCalls;
165
166   Function *CIFunc = CI->getParent()->getParent();
167   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), E = Op->use_end(); UI != E;
168        ++UI)
169     if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(*UI))
170       if (C->getNumOperands() == CI->getNumOperands() &&
171           C->getOperand(0) == CI->getOperand(0) &&
172           C->getParent()->getParent() == CIFunc && C != CI) {
173         bool AllOperandsEqual = true;
174         for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
175           if (C->getOperand(i) != CI->getOperand(i)) {
176             AllOperandsEqual = false;
177             break;
178           }
179
180         if (AllOperandsEqual)
181           IdenticalCalls.push_back(C);
182       }
183
184   if (IdenticalCalls.empty()) return;
185
186   // Eliminate duplicates, which could occur if we chose a value that is passed
187   // into a call site multiple times.
188   std::sort(IdenticalCalls.begin(), IdenticalCalls.end());
189   IdenticalCalls.erase(std::unique(IdenticalCalls.begin(),IdenticalCalls.end()),
190                        IdenticalCalls.end());
191
192   // If the call reads memory, we must make sure that there are no stores
193   // between the calls in question.
194   //
195   // FIXME: This should use mod/ref information.  What we really care about it
196   // whether an intervening instruction could modify memory that is read, not
197   // ANY memory.
198   //
199   if (MRB == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
200     DominatorSet &DomSetInfo = getAnalysis<DominatorSet>();
201     BasicBlock *CIBB = CI->getParent();
202     for (unsigned i = 0; i != IdenticalCalls.size(); ++i) {
203       CallInst *C = IdenticalCalls[i];
204       bool CantEqual = false;
205
206       if (DomSetInfo.dominates(CIBB, C->getParent())) {
207         // FIXME: we currently only handle the case where both calls are in the
208         // same basic block.
209         if (CIBB != C->getParent()) {
210           CantEqual = true;
211         } else {
212           Instruction *First = CI, *Second = C;
213           if (!DomSetInfo.dominates(CI, C))
214             std::swap(First, Second);
215
216           // Scan the instructions between the calls, checking for stores or
217           // calls to dangerous functions.
218           BasicBlock::iterator I = First;
219           for (++First; I != BasicBlock::iterator(Second); ++I) {
220             if (isa<StoreInst>(I)) {
221               // FIXME: We could use mod/ref information to make this much
222               // better!
223               CantEqual = true;
224               break;
225             } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
226               if (CI->getCalledFunction() == 0 ||
227                   !AA.onlyReadsMemory(CI->getCalledFunction())) {
228                 CantEqual = true;
229                 break;
230               }
231             } else if (I->mayWriteToMemory()) {
232               CantEqual = true;
233               break;
234             }
235           }
236         }
237
238       } else if (DomSetInfo.dominates(C->getParent(), CIBB)) {
239         // FIXME: We could implement this, but we don't for now.
240         CantEqual = true;
241       } else {
242         // FIXME: if one doesn't dominate the other, we can't tell yet.
243         CantEqual = true;
244       }
245
246
247       if (CantEqual) {
248         // This call does not produce the same value as the one in the query.
249         std::swap(IdenticalCalls[i--], IdenticalCalls.back());
250         IdenticalCalls.pop_back();
251       }
252     }
253   }
254
255   // Any calls that are identical and not destroyed will produce equal values!
256   for (unsigned i = 0, e = IdenticalCalls.size(); i != e; ++i)
257     RetVals.push_back(IdenticalCalls[i]);
258 }
259
260 // getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
261 // specified Value.  This fills in the argument vector with any equal values.
262 //
263 void LoadVN::getEqualNumberNodes(Value *V,
264                                  std::vector<Value*> &RetVals) const {
265   // If the alias analysis has any must alias information to share with us, we
266   // can definitely use it.
267   if (isa<PointerType>(V->getType()))
268     getAnalysis<AliasAnalysis>().getMustAliases(V, RetVals);
269
270   if (!isa<LoadInst>(V)) {
271     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(V))
272       getCallEqualNumberNodes(CI, RetVals);
273
274     // Not a load instruction?  Just chain to the base value numbering
275     // implementation to satisfy the request...
276     assert(&getAnalysis<ValueNumbering>() != (ValueNumbering*)this &&
277            "getAnalysis() returned this!");
278
279     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
280   }
281
282   // Volatile loads cannot be replaced with the value of other loads.
283   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(V);
284   if (LI->isVolatile())
285     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
286
287   Value *LoadPtr = LI->getOperand(0);
288   BasicBlock *LoadBB = LI->getParent();
289   Function *F = LoadBB->getParent();
290
291   // Find out how many bytes of memory are loaded by the load instruction...
292   unsigned LoadSize = getAnalysis<TargetData>().getTypeSize(LI->getType());
293   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
294
295   // Figure out if the load is invalidated from the entry of the block it is in
296   // until the actual instruction.  This scans the block backwards from LI.  If
297   // we see any candidate load or store instructions, then we know that the
298   // candidates have the same value # as LI.
299   bool LoadInvalidatedInBBBefore = false;
300   for (BasicBlock::iterator I = LI; I != LoadBB->begin(); ) {
301     --I;
302     if (I == LoadPtr) {
303       // If we run into an allocation of the value being loaded, then the
304       // contents are not initialized.
305       if (isa<AllocationInst>(I))
306         RetVals.push_back(UndefValue::get(LI->getType()));
307
308       // Otherwise, since this is the definition of what we are loading, this
309       // loaded value cannot occur before this block.
310       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
311       break;
312     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
313       // If this instruction is a candidate load before LI, we know there are no
314       // invalidating instructions between it and LI, so they have the same
315       // value number.
316       if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile())
317         RetVals.push_back(I);
318     }
319
320     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
321       // If the invalidating instruction is a store, and its in our candidate
322       // set, then we can do store-load forwarding: the load has the same value
323       // # as the stored value.
324       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
325         if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
326           RetVals.push_back(I->getOperand(0));
327
328       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
329       break;
330     }
331   }
332
333   // Figure out if the load is invalidated between the load and the exit of the
334   // block it is defined in.  While we are scanning the current basic block, if
335   // we see any candidate loads, then we know they have the same value # as LI.
336   //
337   bool LoadInvalidatedInBBAfter = false;
338   for (BasicBlock::iterator I = LI->getNext(); I != LoadBB->end(); ++I) {
339     // If this instruction is a load, then this instruction returns the same
340     // value as LI.
341     if (isa<LoadInst>(I) && cast<LoadInst>(I)->getOperand(0) == LoadPtr)
342       RetVals.push_back(I);
343
344     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
345       LoadInvalidatedInBBAfter = true;
346       break;
347     }
348   }
349
350   // If the pointer is clobbered on entry and on exit to the function, there is
351   // no need to do any global analysis at all.
352   if (LoadInvalidatedInBBBefore && LoadInvalidatedInBBAfter)
353     return;
354
355   // Now that we know the value is not neccesarily killed on entry or exit to
356   // the BB, find out how many load and store instructions (to this location)
357   // live in each BB in the function.
358   //
359   std::map<BasicBlock*, unsigned>  CandidateLoads;
360   std::set<BasicBlock*> CandidateStores;
361
362   for (Value::use_iterator UI = LoadPtr->use_begin(), UE = LoadPtr->use_end();
363        UI != UE; ++UI)
364     if (LoadInst *Cand = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {// Is a load of source?
365       if (Cand->getParent()->getParent() == F &&   // In the same function?
366           // Not in LI's block?
367           Cand->getParent() != LoadBB && !Cand->isVolatile())
368         ++CandidateLoads[Cand->getParent()];       // Got one.
369     } else if (StoreInst *Cand = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
370       if (Cand->getParent()->getParent() == F && !Cand->isVolatile() &&
371           Cand->getOperand(1) == LoadPtr) // It's a store THROUGH the ptr.
372         CandidateStores.insert(Cand->getParent());
373     }
374
375   // Get dominators.
376   DominatorSet &DomSetInfo = getAnalysis<DominatorSet>();
377
378   // TransparentBlocks - For each basic block the load/store is alive across,
379   // figure out if the pointer is invalidated or not.  If it is invalidated, the
380   // boolean is set to false, if it's not it is set to true.  If we don't know
381   // yet, the entry is not in the map.
382   std::map<BasicBlock*, bool> TransparentBlocks;
383
384   // Loop over all of the basic blocks that also load the value.  If the value
385   // is live across the CFG from the source to destination blocks, and if the
386   // value is not invalidated in either the source or destination blocks, add it
387   // to the equivalence sets.
388   for (std::map<BasicBlock*, unsigned>::iterator
389          I = CandidateLoads.begin(), E = CandidateLoads.end(); I != E; ++I) {
390     bool CantEqual = false;
391
392     // Right now we only can handle cases where one load dominates the other.
393     // FIXME: generalize this!
394     BasicBlock *BB1 = I->first, *BB2 = LoadBB;
395     if (DomSetInfo.dominates(BB1, BB2)) {
396       // The other load dominates LI.  If the loaded value is killed entering
397       // the LoadBB block, we know the load is not live.
398       if (LoadInvalidatedInBBBefore)
399         CantEqual = true;
400     } else if (DomSetInfo.dominates(BB2, BB1)) {
401       std::swap(BB1, BB2);          // Canonicalize
402       // LI dominates the other load.  If the loaded value is killed exiting
403       // the LoadBB block, we know the load is not live.
404       if (LoadInvalidatedInBBAfter)
405         CantEqual = true;
406     } else {
407       // None of these loads can VN the same.
408       CantEqual = true;
409     }
410
411     if (!CantEqual) {
412       // Ok, at this point, we know that BB1 dominates BB2, and that there is
413       // nothing in the LI block that kills the loaded value.  Check to see if
414       // the value is live across the CFG.
415       std::set<BasicBlock*> Visited;
416       for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), E = pred_end(BB2); PI!=E; ++PI)
417         if (!isPathTransparentTo(*PI, BB1, LoadPtr, LoadSize, AA,
418                                  Visited, TransparentBlocks)) {
419           // None of these loads can VN the same.
420           CantEqual = true;
421           break;
422         }
423     }
424
425     // If the loads can equal so far, scan the basic block that contains the
426     // loads under consideration to see if they are invalidated in the block.
427     // For any loads that are not invalidated, add them to the equivalence
428     // set!
429     if (!CantEqual) {
430       unsigned NumLoads = I->second;
431       if (BB1 == LoadBB) {
432         // If LI dominates the block in question, check to see if any of the
433         // loads in this block are invalidated before they are reached.
434         for (BasicBlock::iterator BBI = I->first->begin(); ; ++BBI) {
435           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
436             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
437               // The load is in the set!
438               RetVals.push_back(BBI);
439               if (--NumLoads == 0) break;  // Found last load to check.
440             }
441           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
442                                 & AliasAnalysis::Mod) {
443             // If there is a modifying instruction, nothing below it will value
444             // # the same.
445             break;
446           }
447         }
448       } else {
449         // If the block dominates LI, make sure that the loads in the block are
450         // not invalidated before the block ends.
451         BasicBlock::iterator BBI = I->first->end();
452         while (1) {
453           --BBI;
454           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
455             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
456               // The load is the same as this load!
457               RetVals.push_back(BBI);
458               if (--NumLoads == 0) break;  // Found all of the laods.
459             }
460           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
461                              & AliasAnalysis::Mod) {
462             // If there is a modifying instruction, nothing above it will value
463             // # the same.
464             break;
465           }
466         }
467       }
468     }
469   }
470
471   // Handle candidate stores.  If the loaded location is clobbered on entrance
472   // to the LoadBB, no store outside of the LoadBB can value number equal, so
473   // quick exit.
474   if (LoadInvalidatedInBBBefore)
475     return;
476
477   // Stores in the load-bb are handled above.
478   CandidateStores.erase(LoadBB);
479
480   for (std::set<BasicBlock*>::iterator I = CandidateStores.begin(),
481          E = CandidateStores.end(); I != E; ++I)
482     if (DomSetInfo.dominates(*I, LoadBB)) {
483       BasicBlock *StoreBB = *I;
484
485       // Check to see if the path from the store to the load is transparent
486       // w.r.t. the memory location.
487       bool CantEqual = false;
488       std::set<BasicBlock*> Visited;
489       for (pred_iterator PI = pred_begin(LoadBB), E = pred_end(LoadBB);
490            PI != E; ++PI)
491         if (!isPathTransparentTo(*PI, StoreBB, LoadPtr, LoadSize, AA,
492                                  Visited, TransparentBlocks)) {
493           // None of these stores can VN the same.
494           CantEqual = true;
495           break;
496         }
497       Visited.clear();
498       if (!CantEqual) {
499         // Okay, the path from the store block to the load block is clear, and
500         // we know that there are no invalidating instructions from the start
501         // of the load block to the load itself.  Now we just scan the store
502         // block.
503
504         BasicBlock::iterator BBI = StoreBB->end();
505         while (1) {
506           assert(BBI != StoreBB->begin() &&
507                  "There is a store in this block of the pointer, but the store"
508                  " doesn't mod the address being stored to??  Must be a bug in"
509                  " the alias analysis implementation!");
510           --BBI;
511           if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
512             // If the invalidating instruction is one of the candidates,
513             // then it provides the value the load loads.
514             if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(BBI))
515               if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
516                 RetVals.push_back(SI->getOperand(0));
517             break;
518           }
519         }
520       }
521     }
522 }