lib/Transforms/Scalar/AlignmentFromAssumptions.cpp

   1 //===----------------------- AlignmentFromAssumptions.cpp -----------------===//
   2 //                  Set Load/Store Alignments From Assumptions
   3 //
   4 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   5 //
   6 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   7 // License. See LICENSE.TXT for details.
   8 //
   9 //===----------------------------------------------------------------------===//
  10 //
  11 // This file implements a ScalarEvolution-based transformation to set
  12 // the alignments of load, stores and memory intrinsics based on the truth
  13 // expressions of assume intrinsics. The primary motivation is to handle
  14 // complex alignment assumptions that apply to vector loads and stores that
  15 // appear after vectorization and unrolling.
  16 //
  17 //===----------------------------------------------------------------------===//
  18
  19 #define AA_NAME "alignment-from-assumptions"
  20 #define DEBUG_TYPE AA_NAME
  21 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  22 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  23 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  24 #include "llvm/Analysis/AssumptionTracker.h"
  25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  26 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  27 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  28 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  29 #include "llvm/IR/Constant.h"
  30 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  31 #include "llvm/IR/Instruction.h"
  32 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  33 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
  34 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  35 #include "llvm/Support/Debug.h"
  36 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  37 using namespace llvm;
  38
  39 STATISTIC(NumLoadAlignChanged,
  40   "Number of loads changed by alignment assumptions");
  41 STATISTIC(NumStoreAlignChanged,
  42   "Number of stores changed by alignment assumptions");
  43 STATISTIC(NumMemIntAlignChanged,
  44   "Number of memory intrinsics changed by alignment assumptions");
  45
  46 namespace {
  47 struct AlignmentFromAssumptions : public FunctionPass {
  48   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  49   AlignmentFromAssumptions() : FunctionPass(ID) {
  50     initializeAlignmentFromAssumptionsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  51   }
  52
  53   bool runOnFunction(Function &F);
  54
  55   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  56     AU.addRequired<AssumptionTracker>();
  57     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
  58     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
  59
  60     AU.setPreservesCFG();
  61     AU.addPreserved<LoopInfo>();
  62     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
  63     AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
  64   }
  65
  66   // For memory transfers, we need a common alignment for both the source and
  67   // destination. If we have a new alignment for only one operand of a transfer
  68   // instruction, save it in these maps.  If we reach the other operand through
  69   // another assumption later, then we may change the alignment at that point.
  70   DenseMap<MemTransferInst *, unsigned> NewDestAlignments, NewSrcAlignments;
  71
  72   AssumptionTracker *AT;
  73   ScalarEvolution *SE;
  74   DominatorTree *DT;
  75   const DataLayout *DL;
  76
  77   bool extractAlignmentInfo(CallInst *I, Value *&AAPtr, const SCEV *&AlignSCEV,
  78                             const SCEV *&OffSCEV);
  79   bool processAssumption(CallInst *I);
  80 };
  81 }
  82
  83 char AlignmentFromAssumptions::ID = 0;
  84 static const char aip_name[] = "Alignment from assumptions";
  85 INITIALIZE_PASS_BEGIN(AlignmentFromAssumptions, AA_NAME,
  86                       aip_name, false, false)
  87 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionTracker)
  88 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
  89 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
  90 INITIALIZE_PASS_END(AlignmentFromAssumptions, AA_NAME,
  91                     aip_name, false, false)
  92
  93 FunctionPass *llvm::createAlignmentFromAssumptionsPass() {
  94   return new AlignmentFromAssumptions();
  95 }
  96
  97 // Given an expression for the (constant) alignment, AlignSCEV, and an
  98 // expression for the displacement between a pointer and the aligned address,
  99 // DiffSCEV, compute the alignment of the displaced pointer if it can be reduced
 100 // to a constant. Using SCEV to compute alignment handles the case where
 101 // DiffSCEV is a recurrence with constant start such that the aligned offset
 102 // is constant. e.g. {16,+,32} % 32 -> 16.
 103 static unsigned getNewAlignmentDiff(const SCEV *DiffSCEV,
 104                                     const SCEV *AlignSCEV,
 105                                     ScalarEvolution *SE) {
 106   // DiffUnits = Diff % int64_t(Alignment)
 107   const SCEV *DiffAlignDiv = SE->getUDivExpr(DiffSCEV, AlignSCEV);
 108   const SCEV *DiffAlign = SE->getMulExpr(DiffAlignDiv, AlignSCEV);
 109   const SCEV *DiffUnitsSCEV = SE->getMinusSCEV(DiffAlign, DiffSCEV);
 110
 111   DEBUG(dbgs() << "\talignment relative to " << *AlignSCEV << " is " <<
 112                   *DiffUnitsSCEV << " (diff: " << *DiffSCEV << ")\n");
 113
 114   if (const SCEVConstant *ConstDUSCEV =
 115       dyn_cast<SCEVConstant>(DiffUnitsSCEV)) {
 116     int64_t DiffUnits = ConstDUSCEV->getValue()->getSExtValue();
 117
 118     // If the displacement is an exact multiple of the alignment, then the
 119     // displaced pointer has the same alignment as the aligned pointer, so
 120     // return the alignment value.
 121     if (!DiffUnits)
 122       return (unsigned)
 123         cast<SCEVConstant>(AlignSCEV)->getValue()->getSExtValue();
 124
 125     // If the displacement is not an exact multiple, but the remainder is a
 126     // constant, then return this remainder (but only if it is a power of 2).
 127     uint64_t DiffUnitsAbs = abs64(DiffUnits);
 128     if (isPowerOf2_64(DiffUnitsAbs))
 129       return (unsigned) DiffUnitsAbs;
 130   }
 131
 132   return 0;
 133 }
 134
 135 // There is an address given by an offset OffSCEV from AASCEV which has an
 136 // alignment AlignSCEV. Use that information, if possible, to compute a new
 137 // alignment for Ptr.
 138 static unsigned getNewAlignment(const SCEV *AASCEV, const SCEV *AlignSCEV,
 139                                 const SCEV *OffSCEV, Value *Ptr,
 140                                 ScalarEvolution *SE) {
 141   const SCEV *PtrSCEV = SE->getSCEV(Ptr);
 142   const SCEV *DiffSCEV = SE->getMinusSCEV(PtrSCEV, AASCEV);
 143
 144   // What we really want to know is the overall offset to the aligned
 145   // address. This address is displaced by the provided offset.
 146   DiffSCEV = SE->getMinusSCEV(DiffSCEV, OffSCEV);
 147
 148   DEBUG(dbgs() << "AFI: alignment of " << *Ptr << " relative to " <<
 149                   *AlignSCEV << " and offset " << *OffSCEV <<
 150                   " using diff " << *DiffSCEV << "\n");
 151
 152   unsigned NewAlignment = getNewAlignmentDiff(DiffSCEV, AlignSCEV, SE);
 153   DEBUG(dbgs() << "\tnew alignment: " << NewAlignment << "\n");
 154
 155   if (NewAlignment) {
 156     return NewAlignment;
 157   } else if (const SCEVAddRecExpr *DiffARSCEV =
 158              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(DiffSCEV)) {
 159     // The relative offset to the alignment assumption did not yield a constant,
 160     // but we should try harder: if we assume that a is 32-byte aligned, then in
 161     // for (i = 0; i < 1024; i += 4) r += a[i]; not all of the loads from a are
 162     // 32-byte aligned, but instead alternate between 32 and 16-byte alignment.
 163     // As a result, the new alignment will not be a constant, but can still
 164     // be improved over the default (of 4) to 16.
 165
 166     const SCEV *DiffStartSCEV = DiffARSCEV->getStart();
 167     const SCEV *DiffIncSCEV = DiffARSCEV->getStepRecurrence(*SE);
 168
 169     DEBUG(dbgs() << "\ttrying start/inc alignment using start " <<
 170                     *DiffStartSCEV << " and inc " << *DiffIncSCEV << "\n");
 171
 172     // Now compute the new alignment using the displacement to the value in the
 173     // first iteration, and also the alignment using the per-iteration delta.
 174     // If these are the same, then use that answer. Otherwise, use the smaller
 175     // one, but only if it divides the larger one.
 176     NewAlignment = getNewAlignmentDiff(DiffStartSCEV, AlignSCEV, SE);
 177     unsigned NewIncAlignment = getNewAlignmentDiff(DiffIncSCEV, AlignSCEV, SE);
 178
 179     DEBUG(dbgs() << "\tnew start alignment: " << NewAlignment << "\n");
 180     DEBUG(dbgs() << "\tnew inc alignment: " << NewIncAlignment << "\n");
 181
 182     if (!NewAlignment || !NewIncAlignment) {
 183       return 0;
 184     } else if (NewAlignment > NewIncAlignment) {
 185       if (NewAlignment % NewIncAlignment == 0) {
 186         DEBUG(dbgs() << "\tnew start/inc alignment: " <<
 187                         NewIncAlignment << "\n");
 188         return NewIncAlignment;
 189       }
 190     } else if (NewIncAlignment > NewAlignment) {
 191       if (NewIncAlignment % NewAlignment == 0) {
 192         DEBUG(dbgs() << "\tnew start/inc alignment: " <<
 193                         NewAlignment << "\n");
 194         return NewAlignment;
 195       }
 196     } else if (NewIncAlignment == NewAlignment) {
 197       DEBUG(dbgs() << "\tnew start/inc alignment: " <<
 198                       NewAlignment << "\n");
 199       return NewAlignment;
 200     }
 201   }
 202
 203   return 0;
 204 }
 205
 206 bool AlignmentFromAssumptions::extractAlignmentInfo(CallInst *I,
 207                                  Value *&AAPtr, const SCEV *&AlignSCEV,
 208                                  const SCEV *&OffSCEV) {
 209   // An alignment assume must be a statement about the least-significant
 210   // bits of the pointer being zero, possibly with some offset.
 211   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(I->getArgOperand(0));
 212   if (!ICI)
 213     return false;
 214
 215   // This must be an expression of the form: x & m == 0.
 216   if (ICI->getPredicate() != ICmpInst::ICMP_EQ)
 217     return false;
 218
 219   // Swap things around so that the RHS is 0.
 220   Value *CmpLHS = ICI->getOperand(0);
 221   Value *CmpRHS = ICI->getOperand(1);
 222   const SCEV *CmpLHSSCEV = SE->getSCEV(CmpLHS);
 223   const SCEV *CmpRHSSCEV = SE->getSCEV(CmpRHS);
 224   if (CmpLHSSCEV->isZero())
 225     std::swap(CmpLHS, CmpRHS);
 226   else if (!CmpRHSSCEV->isZero())
 227     return false;
 228
 229   BinaryOperator *CmpBO = dyn_cast<BinaryOperator>(CmpLHS);
 230   if (!CmpBO || CmpBO->getOpcode() != Instruction::And)
 231     return false;
 232
 233   // Swap things around so that the right operand of the and is a constant
 234   // (the mask); we cannot deal with variable masks.
 235   Value *AndLHS = CmpBO->getOperand(0);
 236   Value *AndRHS = CmpBO->getOperand(1);
 237   const SCEV *AndLHSSCEV = SE->getSCEV(AndLHS);
 238   const SCEV *AndRHSSCEV = SE->getSCEV(AndRHS);
 239   if (isa<SCEVConstant>(AndLHSSCEV)) {
 240     std::swap(AndLHS, AndRHS);
 241     std::swap(AndLHSSCEV, AndRHSSCEV);
 242   }
 243
 244   const SCEVConstant *MaskSCEV = dyn_cast<SCEVConstant>(AndRHSSCEV);
 245   if (!MaskSCEV)
 246     return false;
 247
 248   // The mask must have some trailing ones (otherwise the condition is
 249   // trivial and tells us nothing about the alignment of the left operand).
 250   unsigned TrailingOnes =
 251     MaskSCEV->getValue()->getValue().countTrailingOnes();
 252   if (!TrailingOnes)
 253     return false;
 254
 255   // Cap the alignment at the maximum with which LLVM can deal (and make sure
 256   // we don't overflow the shift).
 257   uint64_t Alignment;
 258   TrailingOnes = std::min(TrailingOnes,
 259     unsigned(sizeof(unsigned) * CHAR_BIT - 1));
 260   Alignment = std::min(1u << TrailingOnes, +Value::MaximumAlignment);
 261
 262   Type *Int64Ty = Type::getInt64Ty(I->getParent()->getParent()->getContext());
 263   AlignSCEV = SE->getConstant(Int64Ty, Alignment);
 264
 265   // The LHS might be a ptrtoint instruction, or it might be the pointer
 266   // with an offset.
 267   AAPtr = nullptr;
 268   OffSCEV = nullptr;
 269   if (PtrToIntInst *PToI = dyn_cast<PtrToIntInst>(AndLHS)) {
 270     AAPtr = PToI->getPointerOperand();
 271     OffSCEV = SE->getConstant(Int64Ty, 0);
 272   } else if (const SCEVAddExpr* AndLHSAddSCEV =
 273              dyn_cast<SCEVAddExpr>(AndLHSSCEV)) {
 274     // Try to find the ptrtoint; subtract it and the rest is the offset.
 275     for (SCEVAddExpr::op_iterator J = AndLHSAddSCEV->op_begin(),
 276          JE = AndLHSAddSCEV->op_end(); J != JE; ++J)
 277       if (const SCEVUnknown *OpUnk = dyn_cast<SCEVUnknown>(*J))
 278         if (PtrToIntInst *PToI = dyn_cast<PtrToIntInst>(OpUnk->getValue())) {
 279           AAPtr = PToI->getPointerOperand();
 280           OffSCEV = SE->getMinusSCEV(AndLHSAddSCEV, *J);
 281           break;
 282         }
 283   }
 284
 285   if (!AAPtr)
 286     return false;
 287
 288   // Sign extend the offset to 64 bits (so that it is like all of the other
 289   // expressions).
 290   unsigned OffSCEVBits = OffSCEV->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
 291   if (OffSCEVBits < 64)
 292     OffSCEV = SE->getSignExtendExpr(OffSCEV, Int64Ty);
 293   else if (OffSCEVBits > 64)
 294     return false;
 295
 296   AAPtr = AAPtr->stripPointerCasts();
 297   return true;
 298 }
 299
 300 bool AlignmentFromAssumptions::processAssumption(CallInst *ACall) {
 301   Value *AAPtr;
 302   const SCEV *AlignSCEV, *OffSCEV;
 303   if (!extractAlignmentInfo(ACall, AAPtr, AlignSCEV, OffSCEV))
 304     return false;
 305
 306   const SCEV *AASCEV = SE->getSCEV(AAPtr);
 307
 308   // Apply the assumption to all other users of the specified pointer.
 309   SmallPtrSet<Instruction *, 32> Visited;
 310   SmallVector<Instruction*, 16> WorkList;
 311   for (User *J : AAPtr->users()) {
 312     if (J == ACall)
 313       continue;
 314
 315     if (Instruction *K = dyn_cast<Instruction>(J))
 316       if (isValidAssumeForContext(ACall, K, DL, DT))
 317         WorkList.push_back(K);
 318   }
 319
 320   while (!WorkList.empty()) {
 321     Instruction *J = WorkList.pop_back_val();
 322
 323     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(J)) {
 324       unsigned NewAlignment = getNewAlignment(AASCEV, AlignSCEV, OffSCEV,
 325         LI->getPointerOperand(), SE);
 326
 327       if (NewAlignment > LI->getAlignment()) {
 328         LI->setAlignment(NewAlignment);
 329         ++NumLoadAlignChanged;
 330       }
 331     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(J)) {
 332       unsigned NewAlignment = getNewAlignment(AASCEV, AlignSCEV, OffSCEV,
 333         SI->getPointerOperand(), SE);
 334
 335       if (NewAlignment > SI->getAlignment()) {
 336         SI->setAlignment(NewAlignment);
 337         ++NumStoreAlignChanged;
 338       }
 339     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(J)) {
 340       unsigned NewDestAlignment = getNewAlignment(AASCEV, AlignSCEV, OffSCEV,
 341         MI->getDest(), SE);
 342
 343       // For memory transfers, we need a common alignment for both the
 344       // source and destination. If we have a new alignment for this
 345       // instruction, but only for one operand, save it. If we reach the
 346       // other operand through another assumption later, then we may
 347       // change the alignment at that point.
 348       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(MI)) {
 349         unsigned NewSrcAlignment = getNewAlignment(AASCEV, AlignSCEV, OffSCEV,
 350           MTI->getSource(), SE);
 351
 352         DenseMap<MemTransferInst *, unsigned>::iterator DI =
 353           NewDestAlignments.find(MTI);
 354         unsigned AltDestAlignment = (DI == NewDestAlignments.end()) ?
 355                                     0 : DI->second;
 356
 357         DenseMap<MemTransferInst *, unsigned>::iterator SI =
 358           NewSrcAlignments.find(MTI);
 359         unsigned AltSrcAlignment = (SI == NewSrcAlignments.end()) ?
 360                                    0 : SI->second;
 361
 362         DEBUG(dbgs() << "\tmem trans: " << NewDestAlignment << " " <<
 363                         AltDestAlignment << " " << NewSrcAlignment <<
 364                         " " << AltSrcAlignment << "\n");
 365
 366         // Of these four alignments, pick the largest possible...
 367         unsigned NewAlignment = 0;
 368         if (NewDestAlignment <= std::max(NewSrcAlignment, AltSrcAlignment))
 369           NewAlignment = std::max(NewAlignment, NewDestAlignment);
 370         if (AltDestAlignment <= std::max(NewSrcAlignment, AltSrcAlignment))
 371           NewAlignment = std::max(NewAlignment, AltDestAlignment);
 372         if (NewSrcAlignment <= std::max(NewDestAlignment, AltDestAlignment))
 373           NewAlignment = std::max(NewAlignment, NewSrcAlignment);
 374         if (AltSrcAlignment <= std::max(NewDestAlignment, AltDestAlignment))
 375           NewAlignment = std::max(NewAlignment, AltSrcAlignment);
 376
 377         if (NewAlignment > MI->getAlignment()) {
 378           MI->setAlignment(ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(
 379             MI->getParent()->getContext()), NewAlignment));
 380           ++NumMemIntAlignChanged;
 381         }
 382
 383         NewDestAlignments.insert(std::make_pair(MTI, NewDestAlignment));
 384         NewSrcAlignments.insert(std::make_pair(MTI, NewSrcAlignment));
 385       } else if (NewDestAlignment > MI->getAlignment()) {
 386         assert((!isa<MemIntrinsic>(MI) || isa<MemSetInst>(MI)) &&
 387                "Unknown memory intrinsic");
 388
 389         MI->setAlignment(ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(
 390           MI->getParent()->getContext()), NewDestAlignment));
 391         ++NumMemIntAlignChanged;
 392       }
 393     }
 394
 395     // Now that we've updated that use of the pointer, look for other uses of
 396     // the pointer to update.
 397     Visited.insert(J);
 398     for (User *UJ : J->users()) {
 399       Instruction *K = cast<Instruction>(UJ);
 400       if (!Visited.count(K) && isValidAssumeForContext(ACall, K, DL, DT))
 401         WorkList.push_back(K);
 402     }
 403   }
 404
 405   return true;
 406 }
 407
 408 bool AlignmentFromAssumptions::runOnFunction(Function &F) {
 409   bool Changed = false;
 410   AT = &getAnalysis<AssumptionTracker>();
 411   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 412   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
 413   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
 414   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
 415
 416   NewDestAlignments.clear();
 417   NewSrcAlignments.clear();
 418
 419   for (auto &I : AT->assumptions(&F))
 420     Changed |= processAssumption(I);
 421
 422   return Changed;
 423 }
 424