Use APInt conversion to string so the result is correct regardless of the
[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 "llvm/Support/Compiler.h"
48 #include <set>
49 using namespace llvm;
50
51 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
52 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
53 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
54
55 namespace {
56   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
57   ///
58   struct VISIBILITY_HIDDEN ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
59     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
60       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
61       AU.addRequired<TargetData>();
62       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
63     }
64
65     virtual bool runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC);
66   private:
67     bool PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
68     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;
69     Function *DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
70   };
71
72   RegisterPass<ArgPromotion> X("argpromotion",
73                                "Promote 'by reference' arguments to scalars");
74 }
75
76 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
77   return new ArgPromotion();
78 }
79
80 bool ArgPromotion::runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC) {
81   bool Changed = false, LocalChange;
82
83   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
84     LocalChange = false;
85     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
86     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e; ++i)
87       LocalChange |= PromoteArguments(SCC[i]);
88     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
89   } while (LocalChange);
90
91   return Changed;
92 }
93
94 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
95 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
96 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
97 /// calls the DoPromotion method.
98 ///
99 bool ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
100   Function *F = CGN->getFunction();
101
102   // Make sure that it is local to this module.
103   if (!F || !F->hasInternalLinkage()) return false;
104
105   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
106   std::vector<Argument*> PointerArgs;
107   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
108     if (isa<PointerType>(I->getType()))
109       PointerArgs.push_back(I);
110   if (PointerArgs.empty()) return false;
111
112   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
113   // transform functions that have indirect callers.
114   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
115        UI != E; ++UI) {
116     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
117     if (!CS.getInstruction())       // "Taking the address" of the function
118       return false;
119
120     // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
121     // an argument.
122     for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
123          AI != E; ++AI)
124       if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
125   }
126
127   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
128   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
129   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
130     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
131       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
132       PointerArgs.pop_back();
133     }
134
135   // No promotable pointer arguments.
136   if (PointerArgs.empty()) return false;
137
138   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
139   Function *NewF = DoPromotion(F, PointerArgs);
140
141   // Update the call graph to know that the old function is gone.
142   getAnalysis<CallGraph>().changeFunction(F, NewF);
143   return true;
144 }
145
146 /// IsAlwaysValidPointer - Return true if the specified pointer is always legal
147 /// to load.
148 static bool IsAlwaysValidPointer(Value *V) {
149   if (isa<AllocaInst>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) return true;
150   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V))
151     return IsAlwaysValidPointer(GEP->getOperand(0));
152   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
153     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
154       return IsAlwaysValidPointer(CE->getOperand(0));
155
156   return false;
157 }
158
159 /// AllCalleesPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
160 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
161 static bool AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
162   Function *Callee = Arg->getParent();
163
164   unsigned ArgNo = std::distance(Callee->arg_begin(),
165                                  Function::arg_iterator(Arg));
166
167   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
168   // have direct callees.
169   for (Value::use_iterator UI = Callee->use_begin(), E = Callee->use_end();
170        UI != E; ++UI) {
171     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
172     assert(CS.getInstruction() && "Should only have direct calls!");
173
174     if (!IsAlwaysValidPointer(CS.getArgument(ArgNo)))
175       return false;
176   }
177   return true;
178 }
179
180
181 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
182 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
183 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
184 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
185 /// arguments passed in.
186 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
187   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
188   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
189   bool HasLoadInEntryBlock = false;
190   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
191   std::vector<LoadInst*> Loads;
192   std::vector<std::vector<ConstantInt*> > GEPIndices;
193   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
194        UI != E; ++UI)
195     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
196       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
197       Loads.push_back(LI);
198       HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
199     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
200       if (GEP->use_empty()) {
201         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
202         // them.
203         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
204         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
205         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
206       }
207       // Ensure that all of the indices are constants.
208       std::vector<ConstantInt*> Operands;
209       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
210         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)))
211           Operands.push_back(C);
212         else
213           return false;  // Not a constant operand GEP!
214
215       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
216       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
217            UI != E; ++UI)
218         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
219           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
220           Loads.push_back(LI);
221           HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
222         } else {
223           return false;
224         }
225
226       // See if there is already a GEP with these indices.  If not, check to
227       // make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
228       // to do.
229       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
230           GEPIndices.end()) {
231         if (GEPIndices.size() == 3) {
232           DOUT << "argpromotion disable promoting argument '"
233                << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
234                << "than 3 arguments to the function.\n";
235           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
236           // of the aggregate.
237           return false;
238         }
239         GEPIndices.push_back(Operands);
240       }
241     } else {
242       return false;  // Not a load or a GEP.
243     }
244
245   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
246
247   // If we decide that we want to promote this argument, the value is going to
248   // be unconditionally loaded in all callees.  This is only safe to do if the
249   // pointer was going to be unconditionally loaded anyway (i.e. there is a load
250   // of the pointer in the entry block of the function) or if we can prove that
251   // all pointers passed in are always to legal locations (for example, no null
252   // pointers are passed in, no pointers to free'd memory, etc).
253   if (!HasLoadInEntryBlock && !AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Arg))
254     return false;   // Cannot prove that this is safe!!
255
256   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
257   // it is safe to unconditionally load the pointer.  Use alias analysis to
258   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
259   // the function to each of the load instructions.
260
261   // Because there could be several/many load instructions, remember which
262   // blocks we know to be transparent to the load.
263   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
264
265   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
266   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
267
268   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
269     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
270     // the load itself.
271     LoadInst *Load = Loads[i];
272     BasicBlock *BB = Load->getParent();
273
274     const PointerType *LoadTy =
275       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
276     unsigned LoadSize = (unsigned)TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
277
278     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
279       return false;  // Pointer is invalidated!
280
281     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
282     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
283     // loading block.
284     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
285       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
286              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
287         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
288           return false;
289   }
290
291   // If the path from the entry of the function to each load is free of
292   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
293   // transformation!
294   return true;
295 }
296
297 namespace {
298   /// GEPIdxComparator - Provide a strong ordering for GEP indices.  All Value*
299   /// elements are instances of ConstantInt.
300   ///
301   struct GEPIdxComparator {
302     bool operator()(const std::vector<Value*> &LHS,
303                     const std::vector<Value*> &RHS) const {
304       unsigned idx = 0;
305       for (; idx < LHS.size() && idx < RHS.size(); ++idx) {
306         if (LHS[idx] != RHS[idx]) {
307           return cast<ConstantInt>(LHS[idx])->getZExtValue() <
308                  cast<ConstantInt>(RHS[idx])->getZExtValue();
309         }
310       }
311
312       // Return less than if we ran out of stuff in LHS and we didn't run out of
313       // stuff in RHS.
314       return idx == LHS.size() && idx != RHS.size();
315     }
316   };
317 }
318
319
320 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
321 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
322 /// safe to do so.
323 Function *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
324                                     std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
325   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
326
327   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
328   // the old function, but has modified arguments.
329   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
330   std::vector<const Type*> Params;
331
332   typedef std::set<std::vector<Value*>, GEPIdxComparator> ScalarizeTable;
333
334   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
335   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
336   // can add one argument for each.
337   //
338   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
339   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
340   //
341   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
342
343   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
344   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
345   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
346   std::map<std::vector<Value*>, LoadInst*> OriginalLoads;
347
348   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
349     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
350       Params.push_back(I->getType());
351     } else if (I->use_empty()) {
352       ++NumArgumentsDead;
353     } else {
354       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
355       // of the argument.
356       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
357       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
358            ++UI) {
359         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
360         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
361         std::vector<Value*> Indices(User->op_begin()+1, User->op_end());
362         ArgIndices.insert(Indices);
363         LoadInst *OrigLoad;
364         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(User))
365           OrigLoad = L;
366         else
367           OrigLoad = cast<LoadInst>(User->use_back());
368         OriginalLoads[Indices] = OrigLoad;
369       }
370
371       // Add a parameter to the function for each element passed in.
372       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
373              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
374         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(),
375                                                            &(*SI)[0],
376                                                            SI->size()));
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::Int32Ty);
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   NF->setCallingConv(F->getCallingConv());
398   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
399
400   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
401   // changes.
402   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
403
404   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
405   // to pass in the loaded pointers.
406   //
407   std::vector<Value*> Args;
408   while (!F->use_empty()) {
409     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
410     Instruction *Call = CS.getInstruction();
411
412     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
413     // appropriate.
414     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
415     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
416          I != E; ++I, ++AI)
417       if (!ArgsToPromote.count(I))
418         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
419       else if (!I->use_empty()) {
420         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
421         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
422         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
423                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
424           Value *V = *AI;
425           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[*SI];
426           if (!SI->empty()) {
427             V = new GetElementPtrInst(V, &(*SI)[0], SI->size(),
428                                       V->getName()+".idx", Call);
429             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
430           }
431           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
432           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
433         }
434       }
435
436     if (ExtraArgHack)
437       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::Int32Ty));
438
439     // Push any varargs arguments on the list
440     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
441       Args.push_back(*AI);
442
443     Instruction *New;
444     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
445       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
446                            &Args[0], Args.size(), "", Call);
447       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
448     } else {
449       New = new CallInst(NF, &Args[0], Args.size(), "", Call);
450       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
451       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
452         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
453     }
454     Args.clear();
455
456     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
457     // the old call with a new one.
458     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
459
460     if (!Call->use_empty()) {
461       Call->replaceAllUsesWith(New);
462       New->takeName(Call);
463     }
464
465     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
466     // F.
467     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
468   }
469
470   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
471   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
472   // function empty.
473   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
474
475   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
476   // the new arguments, also transfering over the names as well.
477   //
478   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
479        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I)
480     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
481       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
482       // new version.
483       I->replaceAllUsesWith(I2);
484       I2->takeName(I);
485       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
486       ++I2;
487     } else if (I->use_empty()) {
488       AA.deleteValue(I);
489     } else {
490       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
491       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
492       // added.
493       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
494
495       while (!I->use_empty()) {
496         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
497           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
498                  "Load element should sort to front!");
499           I2->setName(I->getName()+".val");
500           LI->replaceAllUsesWith(I2);
501           AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
502           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
503           DOUT << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
504                << "' in function '" << F->getName() << "'\n";
505         } else {
506           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
507           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
508
509           Function::arg_iterator TheArg = I2;
510           for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
511                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
512             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
513           }
514
515           std::string NewName = I->getName();
516           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
517             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
518               NewName += "." + CI->getValue().toString(10);
519             else
520               NewName += ".x";
521           TheArg->setName(NewName+".val");
522
523           DOUT << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
524                << "' of function '" << F->getName() << "'\n";
525
526           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
527           // the argument specified by ArgNo.
528           while (!GEP->use_empty()) {
529             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
530             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
531             AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
532             L->getParent()->getInstList().erase(L);
533           }
534           AA.deleteValue(GEP);
535           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
536         }
537       }
538
539       // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
540       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i)
541         ++I2;
542     }
543
544   // Notify the alias analysis implementation that we inserted a new argument.
545   if (ExtraArgHack)
546     AA.copyValue(Constant::getNullValue(Type::Int32Ty), NF->arg_begin());
547
548
549   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
550   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
551
552   // Now that the old function is dead, delete it.
553   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
554   return NF;
555 }