[InstCombine] Remove unnecessary variable indexing into single-element arrays
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / InstCombine / InstCombineLoadStoreAlloca.cpp
1 //===- InstCombineLoadStoreAlloca.cpp -------------------------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file implements the visit functions for load, store and alloca.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #include "InstCombineInternal.h"
15 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
16 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
17 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
18 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
19 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
20 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
21 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
22 using namespace llvm;
23
24 #define DEBUG_TYPE "instcombine"
25
26 STATISTIC(NumDeadStore,    "Number of dead stores eliminated");
27 STATISTIC(NumGlobalCopies, "Number of allocas copied from constant global");
28
29 /// pointsToConstantGlobal - Return true if V (possibly indirectly) points to
30 /// some part of a constant global variable.  This intentionally only accepts
31 /// constant expressions because we can't rewrite arbitrary instructions.
32 static bool pointsToConstantGlobal(Value *V) {
33   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
34     return GV->isConstant();
35
36   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V)) {
37     if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast ||
38         CE->getOpcode() == Instruction::AddrSpaceCast ||
39         CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
40       return pointsToConstantGlobal(CE->getOperand(0));
41   }
42   return false;
43 }
44
45 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Recursively walk the uses of a (derived)
46 /// pointer to an alloca.  Ignore any reads of the pointer, return false if we
47 /// see any stores or other unknown uses.  If we see pointer arithmetic, keep
48 /// track of whether it moves the pointer (with IsOffset) but otherwise traverse
49 /// the uses.  If we see a memcpy/memmove that targets an unoffseted pointer to
50 /// the alloca, and if the source pointer is a pointer to a constant global, we
51 /// can optimize this.
52 static bool
53 isOnlyCopiedFromConstantGlobal(Value *V, MemTransferInst *&TheCopy,
54                                SmallVectorImpl<Instruction *> &ToDelete) {
55   // We track lifetime intrinsics as we encounter them.  If we decide to go
56   // ahead and replace the value with the global, this lets the caller quickly
57   // eliminate the markers.
58
59   SmallVector<std::pair<Value *, bool>, 35> ValuesToInspect;
60   ValuesToInspect.push_back(std::make_pair(V, false));
61   while (!ValuesToInspect.empty()) {
62     auto ValuePair = ValuesToInspect.pop_back_val();
63     const bool IsOffset = ValuePair.second;
64     for (auto &U : ValuePair.first->uses()) {
65       Instruction *I = cast<Instruction>(U.getUser());
66
67       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
68         // Ignore non-volatile loads, they are always ok.
69         if (!LI->isSimple()) return false;
70         continue;
71       }
72
73       if (isa<BitCastInst>(I) || isa<AddrSpaceCastInst>(I)) {
74         // If uses of the bitcast are ok, we are ok.
75         ValuesToInspect.push_back(std::make_pair(I, IsOffset));
76         continue;
77       }
78       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
79         // If the GEP has all zero indices, it doesn't offset the pointer. If it
80         // doesn't, it does.
81         ValuesToInspect.push_back(
82             std::make_pair(I, IsOffset || !GEP->hasAllZeroIndices()));
83         continue;
84       }
85
86       if (CallSite CS = I) {
87         // If this is the function being called then we treat it like a load and
88         // ignore it.
89         if (CS.isCallee(&U))
90           continue;
91
92         // Inalloca arguments are clobbered by the call.
93         unsigned ArgNo = CS.getArgumentNo(&U);
94         if (CS.isInAllocaArgument(ArgNo))
95           return false;
96
97         // If this is a readonly/readnone call site, then we know it is just a
98         // load (but one that potentially returns the value itself), so we can
99         // ignore it if we know that the value isn't captured.
100         if (CS.onlyReadsMemory() &&
101             (CS.getInstruction()->use_empty() || CS.doesNotCapture(ArgNo)))
102           continue;
103
104         // If this is being passed as a byval argument, the caller is making a
105         // copy, so it is only a read of the alloca.
106         if (CS.isByValArgument(ArgNo))
107           continue;
108       }
109
110       // Lifetime intrinsics can be handled by the caller.
111       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
112         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
113             II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
114           assert(II->use_empty() && "Lifetime markers have no result to use!");
115           ToDelete.push_back(II);
116           continue;
117         }
118       }
119
120       // If this is isn't our memcpy/memmove, reject it as something we can't
121       // handle.
122       MemTransferInst *MI = dyn_cast<MemTransferInst>(I);
123       if (!MI)
124         return false;
125
126       // If the transfer is using the alloca as a source of the transfer, then
127       // ignore it since it is a load (unless the transfer is volatile).
128       if (U.getOperandNo() == 1) {
129         if (MI->isVolatile()) return false;
130         continue;
131       }
132
133       // If we already have seen a copy, reject the second one.
134       if (TheCopy) return false;
135
136       // If the pointer has been offset from the start of the alloca, we can't
137       // safely handle this.
138       if (IsOffset) return false;
139
140       // If the memintrinsic isn't using the alloca as the dest, reject it.
141       if (U.getOperandNo() != 0) return false;
142
143       // If the source of the memcpy/move is not a constant global, reject it.
144       if (!pointsToConstantGlobal(MI->getSource()))
145         return false;
146
147       // Otherwise, the transform is safe.  Remember the copy instruction.
148       TheCopy = MI;
149     }
150   }
151   return true;
152 }
153
154 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Return true if the specified alloca is only
155 /// modified by a copy from a constant global.  If we can prove this, we can
156 /// replace any uses of the alloca with uses of the global directly.
157 static MemTransferInst *
158 isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI,
159                                SmallVectorImpl<Instruction *> &ToDelete) {
160   MemTransferInst *TheCopy = nullptr;
161   if (isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI, TheCopy, ToDelete))
162     return TheCopy;
163   return nullptr;
164 }
165
166 Instruction *InstCombiner::visitAllocaInst(AllocaInst &AI) {
167   // Ensure that the alloca array size argument has type intptr_t, so that
168   // any casting is exposed early.
169   if (DL) {
170     Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(AI.getType());
171     if (AI.getArraySize()->getType() != IntPtrTy) {
172       Value *V = Builder->CreateIntCast(AI.getArraySize(),
173                                         IntPtrTy, false);
174       AI.setOperand(0, V);
175       return &AI;
176     }
177   }
178
179   // Convert: alloca Ty, C - where C is a constant != 1 into: alloca [C x Ty], 1
180   if (AI.isArrayAllocation()) {  // Check C != 1
181     if (const ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(AI.getArraySize())) {
182       Type *NewTy =
183         ArrayType::get(AI.getAllocatedType(), C->getZExtValue());
184       AllocaInst *New = Builder->CreateAlloca(NewTy, nullptr, AI.getName());
185       New->setAlignment(AI.getAlignment());
186
187       // Scan to the end of the allocation instructions, to skip over a block of
188       // allocas if possible...also skip interleaved debug info
189       //
190       BasicBlock::iterator It = New;
191       while (isa<AllocaInst>(*It) || isa<DbgInfoIntrinsic>(*It)) ++It;
192
193       // Now that I is pointing to the first non-allocation-inst in the block,
194       // insert our getelementptr instruction...
195       //
196       Type *IdxTy = DL
197                   ? DL->getIntPtrType(AI.getType())
198                   : Type::getInt64Ty(AI.getContext());
199       Value *NullIdx = Constant::getNullValue(IdxTy);
200       Value *Idx[2] = { NullIdx, NullIdx };
201       Instruction *GEP =
202         GetElementPtrInst::CreateInBounds(New, Idx, New->getName() + ".sub");
203       InsertNewInstBefore(GEP, *It);
204
205       // Now make everything use the getelementptr instead of the original
206       // allocation.
207       return ReplaceInstUsesWith(AI, GEP);
208     } else if (isa<UndefValue>(AI.getArraySize())) {
209       return ReplaceInstUsesWith(AI, Constant::getNullValue(AI.getType()));
210     }
211   }
212
213   if (DL && AI.getAllocatedType()->isSized()) {
214     // If the alignment is 0 (unspecified), assign it the preferred alignment.
215     if (AI.getAlignment() == 0)
216       AI.setAlignment(DL->getPrefTypeAlignment(AI.getAllocatedType()));
217
218     // Move all alloca's of zero byte objects to the entry block and merge them
219     // together.  Note that we only do this for alloca's, because malloc should
220     // allocate and return a unique pointer, even for a zero byte allocation.
221     if (DL->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0) {
222       // For a zero sized alloca there is no point in doing an array allocation.
223       // This is helpful if the array size is a complicated expression not used
224       // elsewhere.
225       if (AI.isArrayAllocation()) {
226         AI.setOperand(0, ConstantInt::get(AI.getArraySize()->getType(), 1));
227         return &AI;
228       }
229
230       // Get the first instruction in the entry block.
231       BasicBlock &EntryBlock = AI.getParent()->getParent()->getEntryBlock();
232       Instruction *FirstInst = EntryBlock.getFirstNonPHIOrDbg();
233       if (FirstInst != &AI) {
234         // If the entry block doesn't start with a zero-size alloca then move
235         // this one to the start of the entry block.  There is no problem with
236         // dominance as the array size was forced to a constant earlier already.
237         AllocaInst *EntryAI = dyn_cast<AllocaInst>(FirstInst);
238         if (!EntryAI || !EntryAI->getAllocatedType()->isSized() ||
239             DL->getTypeAllocSize(EntryAI->getAllocatedType()) != 0) {
240           AI.moveBefore(FirstInst);
241           return &AI;
242         }
243
244         // If the alignment of the entry block alloca is 0 (unspecified),
245         // assign it the preferred alignment.
246         if (EntryAI->getAlignment() == 0)
247           EntryAI->setAlignment(
248             DL->getPrefTypeAlignment(EntryAI->getAllocatedType()));
249         // Replace this zero-sized alloca with the one at the start of the entry
250         // block after ensuring that the address will be aligned enough for both
251         // types.
252         unsigned MaxAlign = std::max(EntryAI->getAlignment(),
253                                      AI.getAlignment());
254         EntryAI->setAlignment(MaxAlign);
255         if (AI.getType() != EntryAI->getType())
256           return new BitCastInst(EntryAI, AI.getType());
257         return ReplaceInstUsesWith(AI, EntryAI);
258       }
259     }
260   }
261
262   if (AI.getAlignment()) {
263     // Check to see if this allocation is only modified by a memcpy/memmove from
264     // a constant global whose alignment is equal to or exceeds that of the
265     // allocation.  If this is the case, we can change all users to use
266     // the constant global instead.  This is commonly produced by the CFE by
267     // constructs like "void foo() { int A[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9...}; }" if 'A'
268     // is only subsequently read.
269     SmallVector<Instruction *, 4> ToDelete;
270     if (MemTransferInst *Copy = isOnlyCopiedFromConstantGlobal(&AI, ToDelete)) {
271       unsigned SourceAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
272           Copy->getSource(), AI.getAlignment(), DL, AC, &AI, DT);
273       if (AI.getAlignment() <= SourceAlign) {
274         DEBUG(dbgs() << "Found alloca equal to global: " << AI << '\n');
275         DEBUG(dbgs() << "  memcpy = " << *Copy << '\n');
276         for (unsigned i = 0, e = ToDelete.size(); i != e; ++i)
277           EraseInstFromFunction(*ToDelete[i]);
278         Constant *TheSrc = cast<Constant>(Copy->getSource());
279         Constant *Cast
280           = ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(TheSrc, AI.getType());
281         Instruction *NewI = ReplaceInstUsesWith(AI, Cast);
282         EraseInstFromFunction(*Copy);
283         ++NumGlobalCopies;
284         return NewI;
285       }
286     }
287   }
288
289   // At last, use the generic allocation site handler to aggressively remove
290   // unused allocas.
291   return visitAllocSite(AI);
292 }
293
294 /// \brief Helper to combine a load to a new type.
295 ///
296 /// This just does the work of combining a load to a new type. It handles
297 /// metadata, etc., and returns the new instruction. The \c NewTy should be the
298 /// loaded *value* type. This will convert it to a pointer, cast the operand to
299 /// that pointer type, load it, etc.
300 ///
301 /// Note that this will create all of the instructions with whatever insert
302 /// point the \c InstCombiner currently is using.
303 static LoadInst *combineLoadToNewType(InstCombiner &IC, LoadInst &LI, Type *NewTy) {
304   Value *Ptr = LI.getPointerOperand();
305   unsigned AS = LI.getPointerAddressSpace();
306   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 8> MD;
307   LI.getAllMetadata(MD);
308
309   LoadInst *NewLoad = IC.Builder->CreateAlignedLoad(
310       IC.Builder->CreateBitCast(Ptr, NewTy->getPointerTo(AS)),
311       LI.getAlignment(), LI.getName());
312   for (const auto &MDPair : MD) {
313     unsigned ID = MDPair.first;
314     MDNode *N = MDPair.second;
315     // Note, essentially every kind of metadata should be preserved here! This
316     // routine is supposed to clone a load instruction changing *only its type*.
317     // The only metadata it makes sense to drop is metadata which is invalidated
318     // when the pointer type changes. This should essentially never be the case
319     // in LLVM, but we explicitly switch over only known metadata to be
320     // conservatively correct. If you are adding metadata to LLVM which pertains
321     // to loads, you almost certainly want to add it here.
322     switch (ID) {
323     case LLVMContext::MD_dbg:
324     case LLVMContext::MD_tbaa:
325     case LLVMContext::MD_prof:
326     case LLVMContext::MD_fpmath:
327     case LLVMContext::MD_tbaa_struct:
328     case LLVMContext::MD_invariant_load:
329     case LLVMContext::MD_alias_scope:
330     case LLVMContext::MD_noalias:
331     case LLVMContext::MD_nontemporal:
332     case LLVMContext::MD_mem_parallel_loop_access:
333       // All of these directly apply.
334       NewLoad->setMetadata(ID, N);
335       break;
336
337     case LLVMContext::MD_nonnull:
338       // FIXME: We should translate this into range metadata for integer types
339       // and vice versa.
340       if (NewTy->isPointerTy())
341         NewLoad->setMetadata(ID, N);
342       break;
343
344     case LLVMContext::MD_range:
345       // FIXME: It would be nice to propagate this in some way, but the type
346       // conversions make it hard.
347       break;
348     }
349   }
350   return NewLoad;
351 }
352
353 /// \brief Combine a store to a new type.
354 ///
355 /// Returns the newly created store instruction.
356 static StoreInst *combineStoreToNewValue(InstCombiner &IC, StoreInst &SI, Value *V) {
357   Value *Ptr = SI.getPointerOperand();
358   unsigned AS = SI.getPointerAddressSpace();
359   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 8> MD;
360   SI.getAllMetadata(MD);
361
362   StoreInst *NewStore = IC.Builder->CreateAlignedStore(
363       V, IC.Builder->CreateBitCast(Ptr, V->getType()->getPointerTo(AS)),
364       SI.getAlignment());
365   for (const auto &MDPair : MD) {
366     unsigned ID = MDPair.first;
367     MDNode *N = MDPair.second;
368     // Note, essentially every kind of metadata should be preserved here! This
369     // routine is supposed to clone a store instruction changing *only its
370     // type*. The only metadata it makes sense to drop is metadata which is
371     // invalidated when the pointer type changes. This should essentially
372     // never be the case in LLVM, but we explicitly switch over only known
373     // metadata to be conservatively correct. If you are adding metadata to
374     // LLVM which pertains to stores, you almost certainly want to add it
375     // here.
376     switch (ID) {
377     case LLVMContext::MD_dbg:
378     case LLVMContext::MD_tbaa:
379     case LLVMContext::MD_prof:
380     case LLVMContext::MD_fpmath:
381     case LLVMContext::MD_tbaa_struct:
382     case LLVMContext::MD_alias_scope:
383     case LLVMContext::MD_noalias:
384     case LLVMContext::MD_nontemporal:
385     case LLVMContext::MD_mem_parallel_loop_access:
386       // All of these directly apply.
387       NewStore->setMetadata(ID, N);
388       break;
389
390     case LLVMContext::MD_invariant_load:
391     case LLVMContext::MD_nonnull:
392     case LLVMContext::MD_range:
393       // These don't apply for stores.
394       break;
395     }
396   }
397
398   return NewStore;
399 }
400
401 /// \brief Combine loads to match the type of value their uses after looking
402 /// through intervening bitcasts.
403 ///
404 /// The core idea here is that if the result of a load is used in an operation,
405 /// we should load the type most conducive to that operation. For example, when
406 /// loading an integer and converting that immediately to a pointer, we should
407 /// instead directly load a pointer.
408 ///
409 /// However, this routine must never change the width of a load or the number of
410 /// loads as that would introduce a semantic change. This combine is expected to
411 /// be a semantic no-op which just allows loads to more closely model the types
412 /// of their consuming operations.
413 ///
414 /// Currently, we also refuse to change the precise type used for an atomic load
415 /// or a volatile load. This is debatable, and might be reasonable to change
416 /// later. However, it is risky in case some backend or other part of LLVM is
417 /// relying on the exact type loaded to select appropriate atomic operations.
418 static Instruction *combineLoadToOperationType(InstCombiner &IC, LoadInst &LI) {
419   // FIXME: We could probably with some care handle both volatile and atomic
420   // loads here but it isn't clear that this is important.
421   if (!LI.isSimple())
422     return nullptr;
423
424   if (LI.use_empty())
425     return nullptr;
426
427   Type *Ty = LI.getType();
428
429   // Try to canonicalize loads which are only ever stored to operate over
430   // integers instead of any other type. We only do this when the loaded type
431   // is sized and has a size exactly the same as its store size and the store
432   // size is a legal integer type.
433   const DataLayout *DL = IC.getDataLayout();
434   if (!Ty->isIntegerTy() && Ty->isSized() && DL &&
435       DL->isLegalInteger(DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty)) &&
436       DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty) == DL->getTypeSizeInBits(Ty)) {
437     if (std::all_of(LI.user_begin(), LI.user_end(), [&LI](User *U) {
438           auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(U);
439           return SI && SI->getPointerOperand() != &LI;
440         })) {
441       LoadInst *NewLoad = combineLoadToNewType(
442           IC, LI,
443           Type::getIntNTy(LI.getContext(), DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty)));
444       // Replace all the stores with stores of the newly loaded value.
445       for (auto UI = LI.user_begin(), UE = LI.user_end(); UI != UE;) {
446         auto *SI = cast<StoreInst>(*UI++);
447         IC.Builder->SetInsertPoint(SI);
448         combineStoreToNewValue(IC, *SI, NewLoad);
449         IC.EraseInstFromFunction(*SI);
450       }
451       assert(LI.use_empty() && "Failed to remove all users of the load!");
452       // Return the old load so the combiner can delete it safely.
453       return &LI;
454     }
455   }
456
457   // Fold away bit casts of the loaded value by loading the desired type.
458   if (LI.hasOneUse())
459     if (auto *BC = dyn_cast<BitCastInst>(LI.user_back())) {
460       LoadInst *NewLoad = combineLoadToNewType(IC, LI, BC->getDestTy());
461       BC->replaceAllUsesWith(NewLoad);
462       IC.EraseInstFromFunction(*BC);
463       return &LI;
464     }
465
466   // FIXME: We should also canonicalize loads of vectors when their elements are
467   // cast to other types.
468   return nullptr;
469 }
470
471 // If we can determine that all possible objects pointed to by the provided
472 // pointer value are, not only dereferenceable, but also definitively less than
473 // or equal to the provided maximum size, then return true. Otherwise, return
474 // false (constant global values and allocas fall into this category).
475 //
476 // FIXME: This should probably live in ValueTracking (or similar).
477 static bool isObjectSizeLessThanOrEq(Value *V, uint64_t MaxSize,
478                                      const DataLayout *DL) {
479   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
480   SmallVector<Value *, 4> Worklist(1, V);
481
482   do {
483     Value *P = Worklist.pop_back_val();
484     P = P->stripPointerCasts();
485
486     if (!Visited.insert(P).second)
487       continue;
488
489     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(P)) {
490       Worklist.push_back(SI->getTrueValue());
491       Worklist.push_back(SI->getFalseValue());
492       continue;
493     }
494
495     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(P)) {
496       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
497         Worklist.push_back(PN->getIncomingValue(i));
498       continue;
499     }
500
501     if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(P)) {
502       if (GA->mayBeOverridden())
503         return false;
504       Worklist.push_back(GA->getAliasee());
505       continue;
506     }
507
508     // If we know how big this object is, and it is less than MaxSize, continue
509     // searching. Otherwise, return false.
510     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(P)) {
511       if (!AI->getAllocatedType()->isSized())
512         return false;
513
514       ConstantInt *CS = dyn_cast<ConstantInt>(AI->getArraySize());
515       if (!CS)
516         return false;
517
518       uint64_t TypeSize = DL->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType());
519       // Make sure that, even if the multiplication below would wrap as an
520       // uint64_t, we still do the right thing.
521       if ((CS->getValue().zextOrSelf(128)*APInt(128, TypeSize)).ugt(MaxSize))
522         return false;
523       continue;
524     }
525
526     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(P)) {
527       if (!GV->hasDefinitiveInitializer() || !GV->isConstant())
528         return false;
529
530       uint64_t InitSize = DL->getTypeAllocSize(GV->getType()->getElementType());
531       if (InitSize > MaxSize)
532         return false;
533       continue;
534     }
535
536     return false;
537   } while (!Worklist.empty());
538
539   return true;
540 }
541
542 // If we're indexing into an object of a known size, and the outer index is
543 // not a constant, but having any value but zero would lead to undefined
544 // behavior, replace it with zero.
545 //
546 // For example, if we have:
547 // @f.a = private unnamed_addr constant [1 x i32] [i32 12], align 4
548 // ...
549 // %arrayidx = getelementptr inbounds [1 x i32]* @f.a, i64 0, i64 %x
550 // ... = load i32* %arrayidx, align 4
551 // Then we know that we can replace %x in the GEP with i64 0.
552 //
553 // FIXME: We could fold any GEP index to zero that would cause UB if it were
554 // not zero. Currently, we only handle the first such index. Also, we could
555 // also search through non-zero constant indices if we kept track of the
556 // offsets those indices implied.
557 static bool canReplaceGEPIdxWithZero(InstCombiner &IC, GetElementPtrInst *GEPI,
558                                      Instruction *MemI, unsigned &Idx) {
559   const DataLayout *DL = IC.getDataLayout();
560   if (GEPI->getNumOperands() < 2 || !DL)
561     return false;
562
563   // Find the first non-zero index of a GEP. If all indices are zero, return
564   // one past the last index.
565   auto FirstNZIdx = [](const GetElementPtrInst *GEPI) {
566     unsigned I = 1;
567     for (unsigned IE = GEPI->getNumOperands(); I != IE; ++I) {
568       Value *V = GEPI->getOperand(I);
569       if (const ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
570         if (CI->isZero())
571           continue;
572
573       break;
574     }
575
576     return I;
577   };
578
579   // Skip through initial 'zero' indices, and find the corresponding pointer
580   // type. See if the next index is not a constant.
581   Idx = FirstNZIdx(GEPI);
582   if (Idx == GEPI->getNumOperands())
583     return false;
584   if (isa<Constant>(GEPI->getOperand(Idx)))
585     return false;
586
587   SmallVector<Value *, 4> Ops(GEPI->idx_begin(), GEPI->idx_begin() + Idx);
588   Type *AllocTy =
589     GetElementPtrInst::getIndexedType(GEPI->getOperand(0)->getType(), Ops);
590   if (!AllocTy || !AllocTy->isSized())
591     return false;
592   uint64_t TyAllocSize = DL->getTypeAllocSize(AllocTy);
593
594   // If there are more indices after the one we might replace with a zero, make
595   // sure they're all non-negative. If any of them are negative, the overall
596   // address being computed might be before the base address determined by the
597   // first non-zero index.
598   auto IsAllNonNegative = [&]() {
599     for (unsigned i = Idx+1, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
600       bool KnownNonNegative, KnownNegative;
601       IC.ComputeSignBit(GEPI->getOperand(i), KnownNonNegative,
602                         KnownNegative, 0, MemI);
603       if (KnownNonNegative)
604         continue;
605       return false;
606     }
607
608     return true;
609   };
610
611   // FIXME: If the GEP is not inbounds, and there are extra indices after the
612   // one we'll replace, those could cause the address computation to wrap
613   // (rendering the IsAllNonNegative() check below insufficient). We can do
614   // better, ignoring zero indicies (and other indicies we can prove small
615   // enough not to wrap).
616   if (Idx+1 != GEPI->getNumOperands() && !GEPI->isInBounds())
617     return false;
618
619   // Note that isObjectSizeLessThanOrEq will return true only if the pointer is
620   // also known to be dereferenceable.
621   return isObjectSizeLessThanOrEq(GEPI->getOperand(0), TyAllocSize, DL) &&
622          IsAllNonNegative();
623 }
624
625 // If we're indexing into an object with a variable index for the memory
626 // access, but the object has only one element, we can assume that the index
627 // will always be zero. If we replace the GEP, return it.
628 template <typename T>
629 static Instruction *replaceGEPIdxWithZero(InstCombiner &IC, Value *Ptr,
630                                           T &MemI) {
631   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr)) {
632     unsigned Idx;
633     if (canReplaceGEPIdxWithZero(IC, GEPI, &MemI, Idx)) {
634       Instruction *NewGEPI = GEPI->clone();
635       NewGEPI->setOperand(Idx,
636         ConstantInt::get(GEPI->getOperand(Idx)->getType(), 0));
637       NewGEPI->insertBefore(GEPI);
638       MemI.setOperand(MemI.getPointerOperandIndex(), NewGEPI);
639       return NewGEPI;
640     }
641   }
642
643   return nullptr;
644 }
645
646 Instruction *InstCombiner::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
647   Value *Op = LI.getOperand(0);
648
649   // Try to canonicalize the loaded type.
650   if (Instruction *Res = combineLoadToOperationType(*this, LI))
651     return Res;
652
653   // Attempt to improve the alignment.
654   if (DL) {
655     unsigned KnownAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
656         Op, DL->getPrefTypeAlignment(LI.getType()), DL, AC, &LI, DT);
657     unsigned LoadAlign = LI.getAlignment();
658     unsigned EffectiveLoadAlign = LoadAlign != 0 ? LoadAlign :
659       DL->getABITypeAlignment(LI.getType());
660
661     if (KnownAlign > EffectiveLoadAlign)
662       LI.setAlignment(KnownAlign);
663     else if (LoadAlign == 0)
664       LI.setAlignment(EffectiveLoadAlign);
665   }
666
667   // Replace GEP indices if possible.
668   if (Instruction *NewGEPI = replaceGEPIdxWithZero(*this, Op, LI)) {
669       Worklist.Add(NewGEPI);
670       return &LI;
671   }
672
673   // None of the following transforms are legal for volatile/atomic loads.
674   // FIXME: Some of it is okay for atomic loads; needs refactoring.
675   if (!LI.isSimple()) return nullptr;
676
677   // Do really simple store-to-load forwarding and load CSE, to catch cases
678   // where there are several consecutive memory accesses to the same location,
679   // separated by a few arithmetic operations.
680   BasicBlock::iterator BBI = &LI;
681   if (Value *AvailableVal = FindAvailableLoadedValue(Op, LI.getParent(), BBI,6))
682     return ReplaceInstUsesWith(
683         LI, Builder->CreateBitOrPointerCast(AvailableVal, LI.getType(),
684                                             LI.getName() + ".cast"));
685
686   // load(gep null, ...) -> unreachable
687   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Op)) {
688     const Value *GEPI0 = GEPI->getOperand(0);
689     // TODO: Consider a target hook for valid address spaces for this xform.
690     if (isa<ConstantPointerNull>(GEPI0) && GEPI->getPointerAddressSpace() == 0){
691       // Insert a new store to null instruction before the load to indicate
692       // that this code is not reachable.  We do this instead of inserting
693       // an unreachable instruction directly because we cannot modify the
694       // CFG.
695       new StoreInst(UndefValue::get(LI.getType()),
696                     Constant::getNullValue(Op->getType()), &LI);
697       return ReplaceInstUsesWith(LI, UndefValue::get(LI.getType()));
698     }
699   }
700
701   // load null/undef -> unreachable
702   // TODO: Consider a target hook for valid address spaces for this xform.
703   if (isa<UndefValue>(Op) ||
704       (isa<ConstantPointerNull>(Op) && LI.getPointerAddressSpace() == 0)) {
705     // Insert a new store to null instruction before the load to indicate that
706     // this code is not reachable.  We do this instead of inserting an
707     // unreachable instruction directly because we cannot modify the CFG.
708     new StoreInst(UndefValue::get(LI.getType()),
709                   Constant::getNullValue(Op->getType()), &LI);
710     return ReplaceInstUsesWith(LI, UndefValue::get(LI.getType()));
711   }
712
713   if (Op->hasOneUse()) {
714     // Change select and PHI nodes to select values instead of addresses: this
715     // helps alias analysis out a lot, allows many others simplifications, and
716     // exposes redundancy in the code.
717     //
718     // Note that we cannot do the transformation unless we know that the
719     // introduced loads cannot trap!  Something like this is valid as long as
720     // the condition is always false: load (select bool %C, int* null, int* %G),
721     // but it would not be valid if we transformed it to load from null
722     // unconditionally.
723     //
724     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(Op)) {
725       // load (select (Cond, &V1, &V2))  --> select(Cond, load &V1, load &V2).
726       unsigned Align = LI.getAlignment();
727       if (isSafeToLoadUnconditionally(SI->getOperand(1), SI, Align, DL) &&
728           isSafeToLoadUnconditionally(SI->getOperand(2), SI, Align, DL)) {
729         LoadInst *V1 = Builder->CreateLoad(SI->getOperand(1),
730                                            SI->getOperand(1)->getName()+".val");
731         LoadInst *V2 = Builder->CreateLoad(SI->getOperand(2),
732                                            SI->getOperand(2)->getName()+".val");
733         V1->setAlignment(Align);
734         V2->setAlignment(Align);
735         return SelectInst::Create(SI->getCondition(), V1, V2);
736       }
737
738       // load (select (cond, null, P)) -> load P
739       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(1)) && 
740           LI.getPointerAddressSpace() == 0) {
741         LI.setOperand(0, SI->getOperand(2));
742         return &LI;
743       }
744
745       // load (select (cond, P, null)) -> load P
746       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(2)) &&
747           LI.getPointerAddressSpace() == 0) {
748         LI.setOperand(0, SI->getOperand(1));
749         return &LI;
750       }
751     }
752   }
753   return nullptr;
754 }
755
756 /// \brief Combine stores to match the type of value being stored.
757 ///
758 /// The core idea here is that the memory does not have any intrinsic type and
759 /// where we can we should match the type of a store to the type of value being
760 /// stored.
761 ///
762 /// However, this routine must never change the width of a store or the number of
763 /// stores as that would introduce a semantic change. This combine is expected to
764 /// be a semantic no-op which just allows stores to more closely model the types
765 /// of their incoming values.
766 ///
767 /// Currently, we also refuse to change the precise type used for an atomic or
768 /// volatile store. This is debatable, and might be reasonable to change later.
769 /// However, it is risky in case some backend or other part of LLVM is relying
770 /// on the exact type stored to select appropriate atomic operations.
771 ///
772 /// \returns true if the store was successfully combined away. This indicates
773 /// the caller must erase the store instruction. We have to let the caller erase
774 /// the store instruction sas otherwise there is no way to signal whether it was
775 /// combined or not: IC.EraseInstFromFunction returns a null pointer.
776 static bool combineStoreToValueType(InstCombiner &IC, StoreInst &SI) {
777   // FIXME: We could probably with some care handle both volatile and atomic
778   // stores here but it isn't clear that this is important.
779   if (!SI.isSimple())
780     return false;
781
782   Value *V = SI.getValueOperand();
783
784   // Fold away bit casts of the stored value by storing the original type.
785   if (auto *BC = dyn_cast<BitCastInst>(V)) {
786     V = BC->getOperand(0);
787     combineStoreToNewValue(IC, SI, V);
788     return true;
789   }
790
791   // FIXME: We should also canonicalize loads of vectors when their elements are
792   // cast to other types.
793   return false;
794 }
795
796 /// equivalentAddressValues - Test if A and B will obviously have the same
797 /// value. This includes recognizing that %t0 and %t1 will have the same
798 /// value in code like this:
799 ///   %t0 = getelementptr \@a, 0, 3
800 ///   store i32 0, i32* %t0
801 ///   %t1 = getelementptr \@a, 0, 3
802 ///   %t2 = load i32* %t1
803 ///
804 static bool equivalentAddressValues(Value *A, Value *B) {
805   // Test if the values are trivially equivalent.
806   if (A == B) return true;
807
808   // Test if the values come form identical arithmetic instructions.
809   // This uses isIdenticalToWhenDefined instead of isIdenticalTo because
810   // its only used to compare two uses within the same basic block, which
811   // means that they'll always either have the same value or one of them
812   // will have an undefined value.
813   if (isa<BinaryOperator>(A) ||
814       isa<CastInst>(A) ||
815       isa<PHINode>(A) ||
816       isa<GetElementPtrInst>(A))
817     if (Instruction *BI = dyn_cast<Instruction>(B))
818       if (cast<Instruction>(A)->isIdenticalToWhenDefined(BI))
819         return true;
820
821   // Otherwise they may not be equivalent.
822   return false;
823 }
824
825 Instruction *InstCombiner::visitStoreInst(StoreInst &SI) {
826   Value *Val = SI.getOperand(0);
827   Value *Ptr = SI.getOperand(1);
828
829   // Try to canonicalize the stored type.
830   if (combineStoreToValueType(*this, SI))
831     return EraseInstFromFunction(SI);
832
833   // Attempt to improve the alignment.
834   if (DL) {
835     unsigned KnownAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
836         Ptr, DL->getPrefTypeAlignment(Val->getType()), DL, AC, &SI, DT);
837     unsigned StoreAlign = SI.getAlignment();
838     unsigned EffectiveStoreAlign = StoreAlign != 0 ? StoreAlign :
839       DL->getABITypeAlignment(Val->getType());
840
841     if (KnownAlign > EffectiveStoreAlign)
842       SI.setAlignment(KnownAlign);
843     else if (StoreAlign == 0)
844       SI.setAlignment(EffectiveStoreAlign);
845   }
846
847   // Replace GEP indices if possible.
848   if (Instruction *NewGEPI = replaceGEPIdxWithZero(*this, Ptr, SI)) {
849       Worklist.Add(NewGEPI);
850       return &SI;
851   }
852
853   // Don't hack volatile/atomic stores.
854   // FIXME: Some bits are legal for atomic stores; needs refactoring.
855   if (!SI.isSimple()) return nullptr;
856
857   // If the RHS is an alloca with a single use, zapify the store, making the
858   // alloca dead.
859   if (Ptr->hasOneUse()) {
860     if (isa<AllocaInst>(Ptr))
861       return EraseInstFromFunction(SI);
862     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr)) {
863       if (isa<AllocaInst>(GEP->getOperand(0))) {
864         if (GEP->getOperand(0)->hasOneUse())
865           return EraseInstFromFunction(SI);
866       }
867     }
868   }
869
870   // Do really simple DSE, to catch cases where there are several consecutive
871   // stores to the same location, separated by a few arithmetic operations. This
872   // situation often occurs with bitfield accesses.
873   BasicBlock::iterator BBI = &SI;
874   for (unsigned ScanInsts = 6; BBI != SI.getParent()->begin() && ScanInsts;
875        --ScanInsts) {
876     --BBI;
877     // Don't count debug info directives, lest they affect codegen,
878     // and we skip pointer-to-pointer bitcasts, which are NOPs.
879     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
880         (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy())) {
881       ScanInsts++;
882       continue;
883     }
884
885     if (StoreInst *PrevSI = dyn_cast<StoreInst>(BBI)) {
886       // Prev store isn't volatile, and stores to the same location?
887       if (PrevSI->isSimple() && equivalentAddressValues(PrevSI->getOperand(1),
888                                                         SI.getOperand(1))) {
889         ++NumDeadStore;
890         ++BBI;
891         EraseInstFromFunction(*PrevSI);
892         continue;
893       }
894       break;
895     }
896
897     // If this is a load, we have to stop.  However, if the loaded value is from
898     // the pointer we're loading and is producing the pointer we're storing,
899     // then *this* store is dead (X = load P; store X -> P).
900     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
901       if (LI == Val && equivalentAddressValues(LI->getOperand(0), Ptr) &&
902           LI->isSimple())
903         return EraseInstFromFunction(SI);
904
905       // Otherwise, this is a load from some other location.  Stores before it
906       // may not be dead.
907       break;
908     }
909
910     // Don't skip over loads or things that can modify memory.
911     if (BBI->mayWriteToMemory() || BBI->mayReadFromMemory())
912       break;
913   }
914
915   // store X, null    -> turns into 'unreachable' in SimplifyCFG
916   if (isa<ConstantPointerNull>(Ptr) && SI.getPointerAddressSpace() == 0) {
917     if (!isa<UndefValue>(Val)) {
918       SI.setOperand(0, UndefValue::get(Val->getType()));
919       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(Val))
920         Worklist.Add(U);  // Dropped a use.
921     }
922     return nullptr;  // Do not modify these!
923   }
924
925   // store undef, Ptr -> noop
926   if (isa<UndefValue>(Val))
927     return EraseInstFromFunction(SI);
928
929   // If this store is the last instruction in the basic block (possibly
930   // excepting debug info instructions), and if the block ends with an
931   // unconditional branch, try to move it to the successor block.
932   BBI = &SI;
933   do {
934     ++BBI;
935   } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
936            (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy()));
937   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(BBI))
938     if (BI->isUnconditional())
939       if (SimplifyStoreAtEndOfBlock(SI))
940         return nullptr;  // xform done!
941
942   return nullptr;
943 }
944
945 /// SimplifyStoreAtEndOfBlock - Turn things like:
946 ///   if () { *P = v1; } else { *P = v2 }
947 /// into a phi node with a store in the successor.
948 ///
949 /// Simplify things like:
950 ///   *P = v1; if () { *P = v2; }
951 /// into a phi node with a store in the successor.
952 ///
953 bool InstCombiner::SimplifyStoreAtEndOfBlock(StoreInst &SI) {
954   BasicBlock *StoreBB = SI.getParent();
955
956   // Check to see if the successor block has exactly two incoming edges.  If
957   // so, see if the other predecessor contains a store to the same location.
958   // if so, insert a PHI node (if needed) and move the stores down.
959   BasicBlock *DestBB = StoreBB->getTerminator()->getSuccessor(0);
960
961   // Determine whether Dest has exactly two predecessors and, if so, compute
962   // the other predecessor.
963   pred_iterator PI = pred_begin(DestBB);
964   BasicBlock *P = *PI;
965   BasicBlock *OtherBB = nullptr;
966
967   if (P != StoreBB)
968     OtherBB = P;
969
970   if (++PI == pred_end(DestBB))
971     return false;
972
973   P = *PI;
974   if (P != StoreBB) {
975     if (OtherBB)
976       return false;
977     OtherBB = P;
978   }
979   if (++PI != pred_end(DestBB))
980     return false;
981
982   // Bail out if all the relevant blocks aren't distinct (this can happen,
983   // for example, if SI is in an infinite loop)
984   if (StoreBB == DestBB || OtherBB == DestBB)
985     return false;
986
987   // Verify that the other block ends in a branch and is not otherwise empty.
988   BasicBlock::iterator BBI = OtherBB->getTerminator();
989   BranchInst *OtherBr = dyn_cast<BranchInst>(BBI);
990   if (!OtherBr || BBI == OtherBB->begin())
991     return false;
992
993   // If the other block ends in an unconditional branch, check for the 'if then
994   // else' case.  there is an instruction before the branch.
995   StoreInst *OtherStore = nullptr;
996   if (OtherBr->isUnconditional()) {
997     --BBI;
998     // Skip over debugging info.
999     while (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
1000            (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy())) {
1001       if (BBI==OtherBB->begin())
1002         return false;
1003       --BBI;
1004     }
1005     // If this isn't a store, isn't a store to the same location, or is not the
1006     // right kind of store, bail out.
1007     OtherStore = dyn_cast<StoreInst>(BBI);
1008     if (!OtherStore || OtherStore->getOperand(1) != SI.getOperand(1) ||
1009         !SI.isSameOperationAs(OtherStore))
1010       return false;
1011   } else {
1012     // Otherwise, the other block ended with a conditional branch. If one of the
1013     // destinations is StoreBB, then we have the if/then case.
1014     if (OtherBr->getSuccessor(0) != StoreBB &&
1015         OtherBr->getSuccessor(1) != StoreBB)
1016       return false;
1017
1018     // Okay, we know that OtherBr now goes to Dest and StoreBB, so this is an
1019     // if/then triangle.  See if there is a store to the same ptr as SI that
1020     // lives in OtherBB.
1021     for (;; --BBI) {
1022       // Check to see if we find the matching store.
1023       if ((OtherStore = dyn_cast<StoreInst>(BBI))) {
1024         if (OtherStore->getOperand(1) != SI.getOperand(1) ||
1025             !SI.isSameOperationAs(OtherStore))
1026           return false;
1027         break;
1028       }
1029       // If we find something that may be using or overwriting the stored
1030       // value, or if we run out of instructions, we can't do the xform.
1031       if (BBI->mayReadFromMemory() || BBI->mayWriteToMemory() ||
1032           BBI == OtherBB->begin())
1033         return false;
1034     }
1035
1036     // In order to eliminate the store in OtherBr, we have to
1037     // make sure nothing reads or overwrites the stored value in
1038     // StoreBB.
1039     for (BasicBlock::iterator I = StoreBB->begin(); &*I != &SI; ++I) {
1040       // FIXME: This should really be AA driven.
1041       if (I->mayReadFromMemory() || I->mayWriteToMemory())
1042         return false;
1043     }
1044   }
1045
1046   // Insert a PHI node now if we need it.
1047   Value *MergedVal = OtherStore->getOperand(0);
1048   if (MergedVal != SI.getOperand(0)) {
1049     PHINode *PN = PHINode::Create(MergedVal->getType(), 2, "storemerge");
1050     PN->addIncoming(SI.getOperand(0), SI.getParent());
1051     PN->addIncoming(OtherStore->getOperand(0), OtherBB);
1052     MergedVal = InsertNewInstBefore(PN, DestBB->front());
1053   }
1054
1055   // Advance to a place where it is safe to insert the new store and
1056   // insert it.
1057   BBI = DestBB->getFirstInsertionPt();
1058   StoreInst *NewSI = new StoreInst(MergedVal, SI.getOperand(1),
1059                                    SI.isVolatile(),
1060                                    SI.getAlignment(),
1061                                    SI.getOrdering(),
1062                                    SI.getSynchScope());
1063   InsertNewInstBefore(NewSI, *BBI);
1064   NewSI->setDebugLoc(OtherStore->getDebugLoc());
1065
1066   // If the two stores had AA tags, merge them.
1067   AAMDNodes AATags;
1068   SI.getAAMetadata(AATags);
1069   if (AATags) {
1070     OtherStore->getAAMetadata(AATags, /* Merge = */ true);
1071     NewSI->setAAMetadata(AATags);
1072   }
1073
1074   // Nuke the old stores.
1075   EraseInstFromFunction(SI);
1076   EraseInstFromFunction(*OtherStore);
1077   return true;
1078 }