3e3e265c6ed0385bd9517e6ae48cb4c59bd6741d
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote by-reference arguments ------------===//
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 pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If we can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then we can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template
16 // code like the STL).
17 //
18 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // we refuse to scalarize aggregates which would require passing in more than
21 // three operands to the function, because we don't want to pass thousands of
22 // operands for a large array or structure!
23 //
24 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
25 // stored to (returning the value instead), but we do not currently handle that
26 // case.  This case would be best handled when and if we start supporting
27 // multiple return values from functions.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30
31 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/Constants.h"
34 #include "llvm/DerivedTypes.h"
35 #include "llvm/Module.h"
36 #include "llvm/CallGraphSCCPass.h"
37 #include "llvm/Instructions.h"
38 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
40 #include "llvm/Target/TargetData.h"
41 #include "llvm/Support/CallSite.h"
42 #include "llvm/Support/CFG.h"
43 #include "llvm/Support/Debug.h"
44 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
47 #include <set>
48 using namespace llvm;
49
50 namespace {
51   Statistic<> NumArgumentsPromoted("argpromotion",
52                                    "Number of pointer arguments promoted");
53   Statistic<> NumAggregatesPromoted("argpromotion",
54                                     "Number of aggregate arguments promoted");
55   Statistic<> NumArgumentsDead("argpromotion",
56                                "Number of dead pointer args eliminated");
57
58   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
59   ///
60   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
61     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
62       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
63       AU.addRequired<TargetData>();
64       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
65     }
66
67     virtual bool runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC);
68   private:
69     bool PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
70     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;  
71     Function *DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
72   };
73
74   RegisterOpt<ArgPromotion> X("argpromotion",
75                               "Promote 'by reference' arguments to scalars");
76 }
77
78 ModulePass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
79   return new ArgPromotion();
80 }
81
82 bool ArgPromotion::runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC) {
83   bool Changed = false, LocalChange;
84
85   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
86     LocalChange = false;
87     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
88     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e; ++i)
89       LocalChange |= PromoteArguments(SCC[i]);
90     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
91   } while (LocalChange);
92   
93   return Changed;
94 }
95
96 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
97 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
98 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
99 /// calls the DoPromotion method.
100 ///
101 bool ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
102   Function *F = CGN->getFunction();
103
104   // Make sure that it is local to this module.
105   if (!F || !F->hasInternalLinkage()) return false;
106
107   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
108   std::vector<Argument*> PointerArgs;
109   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
110     if (isa<PointerType>(I->getType()))
111       PointerArgs.push_back(I);
112   if (PointerArgs.empty()) return false;
113
114   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
115   // transform functions that have indirect callers.
116   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
117        UI != E; ++UI) {
118     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
119     if (!CS.getInstruction())       // "Taking the address" of the function
120       return false;
121
122     // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
123     // an argument.
124     for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
125          AI != E; ++AI)
126       if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
127   }
128
129   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
130   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
131   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
132     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
133       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
134       PointerArgs.pop_back();
135     }
136
137   // No promotable pointer arguments.
138   if (PointerArgs.empty()) return false;
139
140   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
141   Function *NewF = DoPromotion(F, PointerArgs);
142
143   // Update the call graph to know that the old function is gone.
144   getAnalysis<CallGraph>().changeFunction(F, NewF);
145   return true;
146 }
147
148 /// IsAlwaysValidPointer - Return true if the specified pointer is always legal
149 /// to load.
150 static bool IsAlwaysValidPointer(Value *V) {
151   if (isa<AllocaInst>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) return true;
152   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V))
153     return IsAlwaysValidPointer(GEP->getOperand(0));
154   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
155     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
156       return IsAlwaysValidPointer(CE->getOperand(0));
157
158   return false;
159 }
160
161 /// AllCalleesPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
162 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
163 static bool AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
164   Function *Callee = Arg->getParent();
165
166   unsigned ArgNo = std::distance(Callee->abegin(), Function::aiterator(Arg));
167
168   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
169   // have direct callees.
170   for (Value::use_iterator UI = Callee->use_begin(), E = Callee->use_end();
171        UI != E; ++UI) {
172     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
173     assert(CS.getInstruction() && "Should only have direct calls!");
174
175     if (!IsAlwaysValidPointer(CS.getArgument(ArgNo)))
176       return false;
177   }
178   return true;
179 }
180
181
182 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
183 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
184 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
185 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
186 /// arguments passed in.
187 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
188   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
189   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
190   bool HasLoadInEntryBlock = false;
191   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
192   std::vector<LoadInst*> Loads;
193   std::vector<std::vector<ConstantInt*> > GEPIndices;
194   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
195        UI != E; ++UI)
196     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
197       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
198       Loads.push_back(LI);
199       HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
200     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
201       if (GEP->use_empty()) {
202         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
203         // them.
204         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
205         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
206         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
207       }
208       // Ensure that all of the indices are constants.
209       std::vector<ConstantInt*> Operands;
210       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
211         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)))
212           Operands.push_back(C);
213         else
214           return false;  // Not a constant operand GEP!
215
216       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
217       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
218            UI != E; ++UI)
219         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
220           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
221           Loads.push_back(LI);
222           HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
223         } else {
224           return false;
225         }
226
227       // See if there is already a GEP with these indices.  If not, check to
228       // make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
229       // to do.
230       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
231           GEPIndices.end()) {
232         if (GEPIndices.size() == 3) {
233           DEBUG(std::cerr << "argpromotion disable promoting argument '"
234                 << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
235                 << "than 3 arguments to the function.\n");
236           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
237           // of the aggregate.
238           return false;
239         }
240         GEPIndices.push_back(Operands);
241       }
242     } else {
243       return false;  // Not a load or a GEP.
244     }
245
246   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
247
248   // If we decide that we want to promote this argument, the value is going to
249   // be unconditionally loaded in all callees.  This is only safe to do if the
250   // pointer was going to be unconditionally loaded anyway (i.e. there is a load
251   // of the pointer in the entry block of the function) or if we can prove that
252   // all pointers passed in are always to legal locations (for example, no null
253   // pointers are passed in, no pointers to free'd memory, etc).
254   if (!HasLoadInEntryBlock && !AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Arg))
255     return false;   // Cannot prove that this is safe!!
256
257   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
258   // it is safe to unconditionally load the pointer.  Use alias analysis to
259   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
260   // the function to each of the load instructions.
261   Function &F = *Arg->getParent();
262
263   // Because there could be several/many load instructions, remember which
264   // blocks we know to be transparent to the load.
265   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
266
267   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
268   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
269
270   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
271     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
272     // the load itself.
273     LoadInst *Load = Loads[i];
274     BasicBlock *BB = Load->getParent();
275
276     const PointerType *LoadTy =
277       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
278     unsigned LoadSize = TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
279
280     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
281       return false;  // Pointer is invalidated!
282
283     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
284     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
285     // loading block.
286     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
287       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
288              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
289         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
290           return false;
291   }
292
293   // If the path from the entry of the function to each load is free of
294   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
295   // transformation!
296   return true;
297 }
298
299 namespace {
300   /// GEPIdxComparator - Provide a strong ordering for GEP indices.  All Value*
301   /// elements are instances of ConstantInt.
302   ///
303   struct GEPIdxComparator {
304     bool operator()(const std::vector<Value*> &LHS,
305                     const std::vector<Value*> &RHS) const {
306       unsigned idx = 0;
307       for (; idx < LHS.size() && idx < RHS.size(); ++idx) {
308         if (LHS[idx] != RHS[idx]) {
309           return cast<ConstantInt>(LHS[idx])->getRawValue() < 
310                  cast<ConstantInt>(RHS[idx])->getRawValue();
311         }
312       }
313
314       // Return less than if we ran out of stuff in LHS and we didn't run out of
315       // stuff in RHS.
316       return idx == LHS.size() && idx != RHS.size();
317     }
318   };
319 }
320
321
322 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
323 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
324 /// safe to do so.
325 Function *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
326                                     std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
327   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
328   
329   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
330   // the old function, but has modified arguments.
331   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
332   std::vector<const Type*> Params;
333
334   typedef std::set<std::vector<Value*>, GEPIdxComparator> ScalarizeTable;
335
336   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
337   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
338   // can add one argument for each.
339   //
340   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
341   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
342   //
343   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
344
345   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
346   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
347   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
348   std::map<std::vector<Value*>, LoadInst*> OriginalLoads;
349
350   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
351     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
352       Params.push_back(I->getType());
353     } else if (I->use_empty()) {
354       ++NumArgumentsDead;
355     } else {
356       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
357       // of the argument.
358       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
359       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
360            ++UI) {
361         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
362         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
363         std::vector<Value*> Indices(User->op_begin()+1, User->op_end());
364         ArgIndices.insert(Indices);
365         LoadInst *OrigLoad;
366         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(User))
367           OrigLoad = L;
368         else
369           OrigLoad = cast<LoadInst>(User->use_back());
370         OriginalLoads[Indices] = OrigLoad;
371       }
372
373       // Add a parameter to the function for each element passed in.
374       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
375              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
376         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
377
378       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
379         ++NumArgumentsPromoted;
380       else
381         ++NumAggregatesPromoted;
382     }
383
384   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
385
386   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
387   // have zero fixed arguments.
388   bool ExtraArgHack = false;
389   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
390     ExtraArgHack = true;
391     Params.push_back(Type::IntTy);
392   }
393   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
394   
395    // Create the new function body and insert it into the module...
396   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
397   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
398
399   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
400   // changes.
401   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
402
403   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
404   // to pass in the loaded pointers.
405   //
406   std::vector<Value*> Args;
407   while (!F->use_empty()) {
408     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
409     Instruction *Call = CS.getInstruction();
410
411     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
412     // appropriate.
413     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
414     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I, ++AI)
415       if (!ArgsToPromote.count(I))
416         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
417       else if (!I->use_empty()) {
418         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
419         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
420         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
421                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
422           Value *V = *AI;
423           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[*SI];
424           if (!SI->empty()) {
425             V = new GetElementPtrInst(V, *SI, V->getName()+".idx", Call);
426             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
427           }
428           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
429           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
430         }
431       }
432
433     if (ExtraArgHack)
434       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
435
436     // Push any varargs arguments on the list
437     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
438       Args.push_back(*AI);
439
440     Instruction *New;
441     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
442       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
443                            Args, "", Call);
444     } else {
445       New = new CallInst(NF, Args, "", Call);
446     }
447     Args.clear();
448
449     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
450     // the old call with a new one.
451     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
452
453     if (!Call->use_empty()) {
454       Call->replaceAllUsesWith(New);
455       std::string Name = Call->getName();
456       Call->setName("");
457       New->setName(Name);
458     }
459     
460     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
461     // F.
462     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
463   }
464
465   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
466   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
467   // function empty.
468   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
469
470   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
471   // the new arguments, also transfering over the names as well.
472   //
473   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(), I2 = NF->abegin();
474        I != E; ++I)
475     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
476       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
477       // new version.
478       I->replaceAllUsesWith(I2);
479       I2->setName(I->getName());
480       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
481       ++I2;
482     } else if (I->use_empty()) {
483       AA.deleteValue(I);
484     } else {
485       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
486       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
487       // added.
488       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
489
490       while (!I->use_empty()) {
491         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
492           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
493                  "Load element should sort to front!");
494           I2->setName(I->getName()+".val");
495           LI->replaceAllUsesWith(I2);
496           AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
497           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
498           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
499                           << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
500         } else {
501           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
502           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
503
504           unsigned ArgNo = 0;
505           Function::aiterator TheArg = I2;
506           for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
507                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
508             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
509           }
510
511           std::string NewName = I->getName();
512           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
513             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
514               NewName += "."+itostr((int64_t)CI->getRawValue());
515             else
516               NewName += ".x";
517           TheArg->setName(NewName+".val");
518
519           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
520                           << "' of function '" << F->getName() << "'\n");
521
522           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
523           // the argument specified by ArgNo.
524           while (!GEP->use_empty()) {
525             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
526             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
527             AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
528             L->getParent()->getInstList().erase(L);
529           }
530           AA.deleteValue(GEP);
531           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
532         }
533       }
534
535       // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
536       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i)
537         ++I2;
538     }
539
540   // Notify the alias analysis implementation that we inserted a new argument.
541   if (ExtraArgHack)
542     AA.copyValue(Constant::getNullValue(Type::IntTy), NF->abegin());
543
544
545   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
546   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
547
548   // Now that the old function is dead, delete it.
549   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
550   return NF;
551 }