Eliminate static ctors due to Statistic objects
[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 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
51 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
52 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
53
54 namespace {
55   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
56   ///
57   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
58     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
59       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
60       AU.addRequired<TargetData>();
61       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
62     }
63
64     virtual bool runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC);
65   private:
66     bool PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
67     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;
68     Function *DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
69   };
70
71   RegisterPass<ArgPromotion> X("argpromotion",
72                                "Promote 'by reference' arguments to scalars");
73 }
74
75 ModulePass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
76   return new ArgPromotion();
77 }
78
79 bool ArgPromotion::runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC) {
80   bool Changed = false, LocalChange;
81
82   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
83     LocalChange = false;
84     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
85     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e; ++i)
86       LocalChange |= PromoteArguments(SCC[i]);
87     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
88   } while (LocalChange);
89
90   return Changed;
91 }
92
93 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
94 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
95 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
96 /// calls the DoPromotion method.
97 ///
98 bool ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
99   Function *F = CGN->getFunction();
100
101   // Make sure that it is local to this module.
102   if (!F || !F->hasInternalLinkage()) return false;
103
104   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
105   std::vector<Argument*> PointerArgs;
106   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
107     if (isa<PointerType>(I->getType()))
108       PointerArgs.push_back(I);
109   if (PointerArgs.empty()) return false;
110
111   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
112   // transform functions that have indirect callers.
113   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
114        UI != E; ++UI) {
115     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
116     if (!CS.getInstruction())       // "Taking the address" of the function
117       return false;
118
119     // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
120     // an argument.
121     for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
122          AI != E; ++AI)
123       if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
124   }
125
126   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
127   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
128   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
129     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
130       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
131       PointerArgs.pop_back();
132     }
133
134   // No promotable pointer arguments.
135   if (PointerArgs.empty()) return false;
136
137   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
138   Function *NewF = DoPromotion(F, PointerArgs);
139
140   // Update the call graph to know that the old function is gone.
141   getAnalysis<CallGraph>().changeFunction(F, NewF);
142   return true;
143 }
144
145 /// IsAlwaysValidPointer - Return true if the specified pointer is always legal
146 /// to load.
147 static bool IsAlwaysValidPointer(Value *V) {
148   if (isa<AllocaInst>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) return true;
149   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V))
150     return IsAlwaysValidPointer(GEP->getOperand(0));
151   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
152     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
153       return IsAlwaysValidPointer(CE->getOperand(0));
154
155   return false;
156 }
157
158 /// AllCalleesPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
159 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
160 static bool AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
161   Function *Callee = Arg->getParent();
162
163   unsigned ArgNo = std::distance(Callee->arg_begin(), Function::arg_iterator(Arg));
164
165   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
166   // have direct callees.
167   for (Value::use_iterator UI = Callee->use_begin(), E = Callee->use_end();
168        UI != E; ++UI) {
169     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
170     assert(CS.getInstruction() && "Should only have direct calls!");
171
172     if (!IsAlwaysValidPointer(CS.getArgument(ArgNo)))
173       return false;
174   }
175   return true;
176 }
177
178
179 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
180 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
181 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
182 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
183 /// arguments passed in.
184 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
185   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
186   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
187   bool HasLoadInEntryBlock = false;
188   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
189   std::vector<LoadInst*> Loads;
190   std::vector<std::vector<ConstantInt*> > GEPIndices;
191   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
192        UI != E; ++UI)
193     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
194       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
195       Loads.push_back(LI);
196       HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
197     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
198       if (GEP->use_empty()) {
199         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
200         // them.
201         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
202         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
203         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
204       }
205       // Ensure that all of the indices are constants.
206       std::vector<ConstantInt*> Operands;
207       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
208         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)))
209           Operands.push_back(C);
210         else
211           return false;  // Not a constant operand GEP!
212
213       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
214       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
215            UI != E; ++UI)
216         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
217           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
218           Loads.push_back(LI);
219           HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
220         } else {
221           return false;
222         }
223
224       // See if there is already a GEP with these indices.  If not, check to
225       // make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
226       // to do.
227       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
228           GEPIndices.end()) {
229         if (GEPIndices.size() == 3) {
230           DOUT << "argpromotion disable promoting argument '"
231                << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
232                << "than 3 arguments to the function.\n";
233           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
234           // of the aggregate.
235           return false;
236         }
237         GEPIndices.push_back(Operands);
238       }
239     } else {
240       return false;  // Not a load or a GEP.
241     }
242
243   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
244
245   // If we decide that we want to promote this argument, the value is going to
246   // be unconditionally loaded in all callees.  This is only safe to do if the
247   // pointer was going to be unconditionally loaded anyway (i.e. there is a load
248   // of the pointer in the entry block of the function) or if we can prove that
249   // all pointers passed in are always to legal locations (for example, no null
250   // pointers are passed in, no pointers to free'd memory, etc).
251   if (!HasLoadInEntryBlock && !AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Arg))
252     return false;   // Cannot prove that this is safe!!
253
254   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
255   // it is safe to unconditionally load the pointer.  Use alias analysis to
256   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
257   // the function to each of the load instructions.
258
259   // Because there could be several/many load instructions, remember which
260   // blocks we know to be transparent to the load.
261   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
262
263   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
264   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
265
266   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
267     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
268     // the load itself.
269     LoadInst *Load = Loads[i];
270     BasicBlock *BB = Load->getParent();
271
272     const PointerType *LoadTy =
273       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
274     unsigned LoadSize = (unsigned)TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
275
276     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
277       return false;  // Pointer is invalidated!
278
279     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
280     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
281     // loading block.
282     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
283       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
284              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
285         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
286           return false;
287   }
288
289   // If the path from the entry of the function to each load is free of
290   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
291   // transformation!
292   return true;
293 }
294
295 namespace {
296   /// GEPIdxComparator - Provide a strong ordering for GEP indices.  All Value*
297   /// elements are instances of ConstantInt.
298   ///
299   struct GEPIdxComparator {
300     bool operator()(const std::vector<Value*> &LHS,
301                     const std::vector<Value*> &RHS) const {
302       unsigned idx = 0;
303       for (; idx < LHS.size() && idx < RHS.size(); ++idx) {
304         if (LHS[idx] != RHS[idx]) {
305           return cast<ConstantInt>(LHS[idx])->getZExtValue() <
306                  cast<ConstantInt>(RHS[idx])->getZExtValue();
307         }
308       }
309
310       // Return less than if we ran out of stuff in LHS and we didn't run out of
311       // stuff in RHS.
312       return idx == LHS.size() && idx != RHS.size();
313     }
314   };
315 }
316
317
318 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
319 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
320 /// safe to do so.
321 Function *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
322                                     std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
323   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
324
325   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
326   // the old function, but has modified arguments.
327   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
328   std::vector<const Type*> Params;
329
330   typedef std::set<std::vector<Value*>, GEPIdxComparator> ScalarizeTable;
331
332   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
333   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
334   // can add one argument for each.
335   //
336   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
337   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
338   //
339   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
340
341   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
342   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
343   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
344   std::map<std::vector<Value*>, LoadInst*> OriginalLoads;
345
346   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
347     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
348       Params.push_back(I->getType());
349     } else if (I->use_empty()) {
350       ++NumArgumentsDead;
351     } else {
352       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
353       // of the argument.
354       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
355       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
356            ++UI) {
357         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
358         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
359         std::vector<Value*> Indices(User->op_begin()+1, User->op_end());
360         ArgIndices.insert(Indices);
361         LoadInst *OrigLoad;
362         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(User))
363           OrigLoad = L;
364         else
365           OrigLoad = cast<LoadInst>(User->use_back());
366         OriginalLoads[Indices] = OrigLoad;
367       }
368
369       // Add a parameter to the function for each element passed in.
370       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
371              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
372         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
373
374       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
375         ++NumArgumentsPromoted;
376       else
377         ++NumAggregatesPromoted;
378     }
379
380   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
381
382   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
383   // have zero fixed arguments.
384   bool ExtraArgHack = false;
385   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
386     ExtraArgHack = true;
387     Params.push_back(Type::IntTy);
388   }
389   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
390
391    // Create the new function body and insert it into the module...
392   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
393   NF->setCallingConv(F->getCallingConv());
394   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
395
396   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
397   // changes.
398   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
399
400   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
401   // to pass in the loaded pointers.
402   //
403   std::vector<Value*> Args;
404   while (!F->use_empty()) {
405     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
406     Instruction *Call = CS.getInstruction();
407
408     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
409     // appropriate.
410     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
411     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
412          I != E; ++I, ++AI)
413       if (!ArgsToPromote.count(I))
414         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
415       else if (!I->use_empty()) {
416         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
417         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
418         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
419                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
420           Value *V = *AI;
421           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[*SI];
422           if (!SI->empty()) {
423             V = new GetElementPtrInst(V, *SI, V->getName()+".idx", Call);
424             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
425           }
426           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
427           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
428         }
429       }
430
431     if (ExtraArgHack)
432       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
433
434     // Push any varargs arguments on the list
435     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
436       Args.push_back(*AI);
437
438     Instruction *New;
439     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
440       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
441                            Args, "", Call);
442       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
443     } else {
444       New = new CallInst(NF, Args, "", Call);
445       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
446       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
447         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
448     }
449     Args.clear();
450
451     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
452     // the old call with a new one.
453     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
454
455     if (!Call->use_empty()) {
456       Call->replaceAllUsesWith(New);
457       std::string Name = Call->getName();
458       Call->setName("");
459       New->setName(Name);
460     }
461
462     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
463     // F.
464     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
465   }
466
467   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
468   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
469   // function empty.
470   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
471
472   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
473   // the new arguments, also transfering over the names as well.
474   //
475   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(), I2 = NF->arg_begin();
476        I != E; ++I)
477     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
478       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
479       // new version.
480       I->replaceAllUsesWith(I2);
481       I2->setName(I->getName());
482       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
483       ++I2;
484     } else if (I->use_empty()) {
485       AA.deleteValue(I);
486     } else {
487       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
488       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
489       // added.
490       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
491
492       while (!I->use_empty()) {
493         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
494           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
495                  "Load element should sort to front!");
496           I2->setName(I->getName()+".val");
497           LI->replaceAllUsesWith(I2);
498           AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
499           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
500           DOUT << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
501                << "' in function '" << F->getName() << "'\n";
502         } else {
503           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
504           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
505
506           Function::arg_iterator TheArg = I2;
507           for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
508                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
509             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
510           }
511
512           std::string NewName = I->getName();
513           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
514             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
515               NewName += "."+itostr((int64_t)CI->getZExtValue());
516             else
517               NewName += ".x";
518           TheArg->setName(NewName+".val");
519
520           DOUT << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
521                << "' of function '" << F->getName() << "'\n";
522
523           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
524           // the argument specified by ArgNo.
525           while (!GEP->use_empty()) {
526             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
527             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
528             AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
529             L->getParent()->getInstList().erase(L);
530           }
531           AA.deleteValue(GEP);
532           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
533         }
534       }
535
536       // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
537       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i)
538         ++I2;
539     }
540
541   // Notify the alias analysis implementation that we inserted a new argument.
542   if (ExtraArgHack)
543     AA.copyValue(Constant::getNullValue(Type::IntTy), NF->arg_begin());
544
545
546   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
547   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
548
549   // Now that the old function is dead, delete it.
550   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
551   return NF;
552 }