DEBUG got moved to Support/Debug.h
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 // This pass is a simple loop invariant code motion pass.  An interesting aspect
4 // of this pass is that it uses alias analysis for two purposes:
5 //
6 //  1. Moving loop invariant loads out of loops.  If we can determine that a
7 //     load inside of a loop never aliases anything stored to, we can hoist it
8 //     like any other instruction.
9 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
10 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
11 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
12 //       A. The pointer stored through is loop invariant
13 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
14 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
15 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
16 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
17 //     the mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
18 //     variable.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
24 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
27 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
28 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/DerivedTypes.h"
31 #include "llvm/Target/TargetData.h"
32 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "Support/CommandLine.h"
35 #include "Support/Debug.h"
36 #include "Support/Statistic.h"
37 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
38 #include <algorithm>
39
40 namespace {
41   cl::opt<bool> DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
42                              cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
43
44   Statistic<> NumHoisted("licm", "Number of instructions hoisted out of loop");
45   Statistic<> NumHoistedLoads("licm", "Number of load insts hoisted");
46   Statistic<> NumPromoted("licm", "Number of memory locations promoted to registers");
47
48   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
49     virtual bool runOnFunction(Function &F);
50
51     /// This transformation requires natural loop information & requires that
52     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
53     ///
54     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
55       AU.setPreservesCFG();
56       AU.addRequiredID(LoopPreheadersID);
57       AU.addRequired<LoopInfo>();
58       AU.addRequired<DominatorTree>();
59       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
60       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
61     }
62
63   private:
64     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
65     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
66     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
67     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
68     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
69     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
70
71     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
72     ///
73     void visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST);
74
75     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
76     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
77     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
78     /// visit defintions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
79     /// pass without iteration.
80     ///
81     void HoistRegion(DominatorTree::Node *N);
82
83     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
84     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
85     ///
86     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
87       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
88       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
89         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
90           return true;  // A subloop actually contains this block!
91       return false;
92     }
93
94     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
95     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
96     ///
97     void hoist(Instruction &I);
98
99     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
100     /// store into the memory location pointed to by V.
101     /// 
102     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
103       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
104       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, 0).isMod();
105     }
106
107     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
108     ///
109     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
110       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
111         return !CurLoop->contains(I->getParent());
112       return true;  // All non-instructions are loop invariant
113     }
114
115     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
116     /// to scalars as we can.
117     ///
118     void PromoteValuesInLoop();
119
120     /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
121     /// definate pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
122     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
123     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
124     /// alloca...
125     ///
126     void findPromotableValuesInLoop(
127                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
128                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
129     
130
131     /// Instruction visitation handlers... these basically control whether or
132     /// not the specified instruction types are hoisted.
133     ///
134     friend class InstVisitor<LICM>;
135     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
136       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && isLoopInvariant(I.getOperand(1)))
137         hoist(I);
138     }
139     void visitCastInst(CastInst &CI) {
140       Instruction &I = (Instruction&)CI;
141       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0))) hoist(I);
142     }
143     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
144
145     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
146
147     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
148       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
149       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
150         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
151       hoist(I);
152     }
153   };
154
155   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
156 }
157
158 Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
159
160 /// runOnFunction - For LICM, this simply traverses the loop structure of the
161 /// function, hoisting expressions out of loops if possible.
162 ///
163 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
164   Changed = false;
165
166   // Get our Loop and Alias Analysis information...
167   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
168   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
169
170   // Hoist expressions out of all of the top-level loops.
171   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops = LI->getTopLevelLoops();
172   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = TopLevelLoops.begin(),
173          E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I) {
174     AliasSetTracker AST(*AA);
175     LICM::visitLoop(*I, AST);
176   }
177   return Changed;
178 }
179
180
181 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
182 ///
183 void LICM::visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST) {
184   // Recurse through all subloops before we process this loop...
185   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = L->getSubLoops().begin(),
186          E = L->getSubLoops().end(); I != E; ++I) {
187     AliasSetTracker SubAST(*AA);
188     LICM::visitLoop(*I, SubAST);
189
190     // Incorporate information about the subloops into this loop...
191     AST.add(SubAST);
192   }
193   CurLoop = L;
194   CurAST = &AST;
195
196   // Get the preheader block to move instructions into...
197   Preheader = L->getLoopPreheader();
198   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
199
200   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
201   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
202   // subloops.
203   //
204   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = L->getBlocks();
205   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
206          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I)
207     if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
208       AST.add(**I);                     // Incorporate the specified basic block
209
210   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
211   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
212   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
213   // the subloops).
214   //
215   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
216   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
217   // us to perform the LICM transformation in one pass, without iteration.
218   //
219   HoistRegion(getAnalysis<DominatorTree>()[L->getHeader()]);
220
221   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
222   // memory references to scalars that we can...
223   if (!DisablePromotion)
224     PromoteValuesInLoop();
225
226   // Clear out loops state information for the next iteration
227   CurLoop = 0;
228   Preheader = 0;
229 }
230
231 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
232 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
233 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit defintions
234 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
235 ///
236 void LICM::HoistRegion(DominatorTree::Node *N) {
237   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
238
239   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
240   if (!CurLoop->contains(N->getNode())) return;
241
242   // Only need to hoist the contents of this block if it is not part of a
243   // subloop (which would already have been hoisted)
244   if (!inSubLoop(N->getNode()))
245     visit(*N->getNode());
246
247   const std::vector<DominatorTree::Node*> &Children = N->getChildren();
248   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
249     HoistRegion(Children[i]);
250 }
251
252
253 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
254 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
255 ///
256 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
257   DEBUG(std::cerr << "LICM hoisting to";
258         WriteAsOperand(std::cerr, Preheader, false);
259         std::cerr << ": " << Inst);
260
261   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
262   // instruction.
263   Inst.getParent()->getInstList().remove(&Inst);
264
265   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
266   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &Inst);
267   
268   ++NumHoisted;
269   Changed = true;
270 }
271
272
273 void LICM::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
274   if (isLoopInvariant(LI.getOperand(0)) &&
275       !pointerInvalidatedByLoop(LI.getOperand(0))) {
276     hoist(LI);
277     ++NumHoistedLoads;
278   }
279 }
280
281 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
282 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
283 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
284 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
285 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
286 /// PromoteMem2Reg functionality.
287 ///
288 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
289   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
290   // value has an alloca instruction for it, and a cannonical version of the
291   // pointer.
292   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
293   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
294
295   findPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
296   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote...
297
298   Changed = true;
299   NumPromoted += PromotedValues.size();
300
301   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
302   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
303   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
304     // Load from the memory we are promoting...
305     LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].second, 
306                                 PromotedValues[i].second->getName()+".promoted",
307                                 LoopPredInst);
308     // Store into the temporary alloca...
309     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
310   }
311   
312   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
313   // uses of the allocas in question.  If we find a branch that exits the
314   // loop, make sure to put reload code into all of the successors of the
315   // loop.
316   //
317   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
318   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
319          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
320     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
321     for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
322          II != E; ++II) {
323       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
324         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
325           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
326         if (I != ValueToAllocaMap.end())
327           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
328       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
329         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
330           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
331         if (I != ValueToAllocaMap.end())
332           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
333       }
334     }
335
336     // Check to see if any successors of this block are outside of the loop.
337     // If so, we need to copy the value from the alloca back into the memory
338     // location...
339     //
340     for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
341       if (!CurLoop->contains(*SI)) {
342         // Copy all of the allocas into their memory locations...
343         BasicBlock::iterator BI = (*SI)->begin();
344         while (isa<PHINode>(*BI))
345           ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block...
346         Instruction *InsertPos = BI;
347         for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
348           // Load from the alloca...
349           LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
350           // Store into the memory we promoted...
351           new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
352         }
353       }
354   }
355
356   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
357   // all of the new allocas we just created into real SSA registers...
358   //
359   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
360   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
361   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
362     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
363   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, getAnalysis<DominanceFrontier>(),
364                   AA->getTargetData());
365 }
366
367 /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definate
368 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
369 /// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
370 /// and keep track of the mapping from value to alloca...
371 ///
372 void LICM::findPromotableValuesInLoop(
373                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
374                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
375   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
376
377   // Loop over all of the alias sets in the tracker object...
378   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
379        I != E; ++I) {
380     AliasSet &AS = *I;
381     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
382     // set, and if the pointer is loop invariant.
383     if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
384         isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
385       assert(AS.begin() != AS.end() &&
386              "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
387       Value *V = AS.begin()->first;
388
389       // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
390       // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
391       // different sizes.
392       bool PointerOk = true;
393       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
394         if (V->getType() != I->first->getType()) {
395           PointerOk = false;
396           break;
397         }
398
399       if (PointerOk) {
400         const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
401         AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
402         PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
403         
404         for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
405           ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
406         
407         DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
408       }
409     }
410   }
411 }