Various cleanups and efficiency improvements
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
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 is a simple loop invariant code motion pass.  An interesting aspect
11 // of this pass is that it uses alias analysis for two purposes:
12 //
13 //  1. Moving loop invariant loads out of loops.  If we can determine that a
14 //     load inside of a loop never aliases anything stored to, we can hoist it
15 //     like any other instruction.
16 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
17 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
18 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
19 //       A. The pointer stored through is loop invariant
20 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
21 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
22 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
23 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
24 //     the mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
25 //     variable.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
33 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
34 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
35 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
36 #include "llvm/Instructions.h"
37 #include "llvm/DerivedTypes.h"
38 #include "llvm/Target/TargetData.h"
39 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
40 #include "llvm/Support/CFG.h"
41 #include "Support/CommandLine.h"
42 #include "Support/Debug.h"
43 #include "Support/Statistic.h"
44 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
45 #include <algorithm>
46
47 namespace {
48   cl::opt<bool>
49   DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
50                    cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
51
52   Statistic<> NumHoisted("licm", "Number of instructions hoisted out of loop");
53   Statistic<> NumHoistedLoads("licm", "Number of load insts hoisted");
54   Statistic<> NumPromoted("licm",
55                           "Number of memory locations promoted to registers");
56
57   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
58     virtual bool runOnFunction(Function &F);
59
60     /// This transformation requires natural loop information & requires that
61     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
62     ///
63     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
64       AU.setPreservesCFG();
65       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
66       AU.addRequired<LoopInfo>();
67       AU.addRequired<DominatorTree>();
68       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
69       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
70     }
71
72   private:
73     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
74     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
75     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
76     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
77     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
78     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
79     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
80     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
81
82     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
83     ///
84     void visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST);
85
86     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
87     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
88     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
89     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
90     /// pass without iteration.
91     ///
92     void HoistRegion(DominatorTree::Node *N);
93
94     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
95     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
96     ///
97     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
98       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
99       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
100         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
101           return true;  // A subloop actually contains this block!
102       return false;
103     }
104
105     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
106     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
107     ///
108     void hoist(Instruction &I);
109
110     /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping
111     /// instruction or if it is a trapping instruction and is guaranteed to
112     /// execute.
113     ///
114     bool SafeToHoist(Instruction &I);
115
116     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
117     /// store into the memory location pointed to by V.
118     /// 
119     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
120       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
121       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, 0).isMod();
122     }
123
124     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
125     ///
126     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
127       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
128         return !CurLoop->contains(I->getParent());
129       return true;  // All non-instructions are loop invariant
130     }
131
132     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
133     /// to scalars as we can.
134     ///
135     void PromoteValuesInLoop();
136
137     /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
138     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
139     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
140     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
141     /// alloca...
142     ///
143     void findPromotableValuesInLoop(
144                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
145                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
146     
147
148     /// Instruction visitation handlers... these basically control whether or
149     /// not the specified instruction types are hoisted.
150     ///
151     friend class InstVisitor<LICM>;
152     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
153       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) &&
154           isLoopInvariant(I.getOperand(1)) && SafeToHoist(I))
155         hoist(I);
156     }
157     void visitCastInst(CastInst &CI) {
158       Instruction &I = (Instruction&)CI;
159       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && SafeToHoist(CI)) hoist(I);
160     }
161     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
162
163     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
164
165     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
166       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
167       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
168         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
169       if(SafeToHoist(GEPI))
170         hoist(I);
171     }
172   };
173
174   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
175 }
176
177 Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
178
179 /// runOnFunction - For LICM, this simply traverses the loop structure of the
180 /// function, hoisting expressions out of loops if possible.
181 ///
182 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
183   Changed = false;
184
185   // Get our Loop and Alias Analysis information...
186   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
187   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
188   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
189   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
190
191   // Hoist expressions out of all of the top-level loops.
192   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops = LI->getTopLevelLoops();
193   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = TopLevelLoops.begin(),
194          E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I) {
195     AliasSetTracker AST(*AA);
196     LICM::visitLoop(*I, AST);
197   }
198   return Changed;
199 }
200
201
202 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
203 ///
204 void LICM::visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST) {
205   // Recurse through all subloops before we process this loop...
206   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = L->getSubLoops().begin(),
207          E = L->getSubLoops().end(); I != E; ++I) {
208     AliasSetTracker SubAST(*AA);
209     LICM::visitLoop(*I, SubAST);
210
211     // Incorporate information about the subloops into this loop...
212     AST.add(SubAST);
213   }
214   CurLoop = L;
215   CurAST = &AST;
216
217   // Get the preheader block to move instructions into...
218   Preheader = L->getLoopPreheader();
219   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
220
221   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
222   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
223   // subloops.
224   //
225   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = L->getBlocks();
226   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
227          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I)
228     if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
229       AST.add(**I);                     // Incorporate the specified basic block
230
231   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
232   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
233   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
234   // the subloops).
235   //
236   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
237   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
238   // us to perform the LICM transformation in one pass, without iteration.
239   //
240   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
241
242   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
243   // memory references to scalars that we can...
244   if (!DisablePromotion)
245     PromoteValuesInLoop();
246
247   // Clear out loops state information for the next iteration
248   CurLoop = 0;
249   Preheader = 0;
250 }
251
252 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
253 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
254 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
255 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
256 ///
257 void LICM::HoistRegion(DominatorTree::Node *N) {
258   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
259
260   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
261   if (!CurLoop->contains(N->getBlock())) return;
262
263   // Only need to hoist the contents of this block if it is not part of a
264   // subloop (which would already have been hoisted)
265   if (!inSubLoop(N->getBlock()))
266     visit(*N->getBlock());
267
268   const std::vector<DominatorTree::Node*> &Children = N->getChildren();
269   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
270     HoistRegion(Children[i]);
271 }
272
273
274 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
275 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
276 ///
277 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
278   DEBUG(std::cerr << "LICM hoisting to";
279         WriteAsOperand(std::cerr, Preheader, false);
280         std::cerr << ": " << Inst);
281
282   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
283   // instruction.
284   Inst.getParent()->getInstList().remove(&Inst);
285
286   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
287   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &Inst);
288   
289   ++NumHoisted;
290   Changed = true;
291 }
292
293 /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping instruction
294 /// or if it is a trapping instruction and is guaranteed to execute
295 ///
296 bool LICM::SafeToHoist(Instruction &Inst) {
297
298   //If it is a trapping instruction, then check if its guaranteed to execute.
299   if(Inst.isTrapping()) {
300
301     //Get the instruction's basic block.
302     BasicBlock *InstBB = Inst.getParent();
303     
304     //Get the Dominator Tree Node for the instruction's basic block/
305     DominatorTree::Node *InstDTNode = DT->getNode(InstBB);
306
307     //Get the exit blocks for the current loop.
308     const std::vector<BasicBlock* > &ExitBlocks = CurLoop->getExitBlocks();
309
310     //For each exit block, get the DT node and walk up the DT until
311     //the instruction's basic block is found or we exit the loop.
312     for(unsigned i=0; i < ExitBlocks.size(); ++i) {
313       DominatorTree::Node *IDom = DT->getNode(ExitBlocks[i]);
314       
315       while(IDom != InstDTNode) {
316  
317         //Get next Immediate Dominator.
318         IDom = IDom->getIDom();
319
320         //See if we exited the loop.
321         if(!CurLoop->contains(IDom->getBlock()))
322           return false;
323       }
324     }
325   }
326   
327   return true;
328 }
329
330
331 void LICM::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
332   if (isLoopInvariant(LI.getOperand(0)) && !LI.isVolatile() &&
333       !pointerInvalidatedByLoop(LI.getOperand(0)) && SafeToHoist(LI)) {
334     hoist(LI);
335     ++NumHoistedLoads;
336   }
337 }
338
339 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
340 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
341 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
342 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
343 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
344 /// PromoteMem2Reg functionality.
345 ///
346 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
347   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
348   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
349   // pointer.
350   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
351   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
352
353   findPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
354   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote...
355
356   Changed = true;
357   NumPromoted += PromotedValues.size();
358
359   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
360   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
361   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
362     // Load from the memory we are promoting...
363     LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].second, 
364                                 PromotedValues[i].second->getName()+".promoted",
365                                 LoopPredInst);
366     // Store into the temporary alloca...
367     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
368   }
369   
370   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
371   // uses of the allocas in question.  If we find a branch that exits the
372   // loop, make sure to put reload code into all of the successors of the
373   // loop.
374   //
375   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
376   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
377          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
378     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
379     for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
380          II != E; ++II) {
381       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
382         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
383           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
384         if (I != ValueToAllocaMap.end())
385           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
386       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
387         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
388           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
389         if (I != ValueToAllocaMap.end())
390           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
391       }
392     }
393
394     // Check to see if any successors of this block are outside of the loop.
395     // If so, we need to copy the value from the alloca back into the memory
396     // location...
397     //
398     for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
399       if (!CurLoop->contains(*SI)) {
400         // Copy all of the allocas into their memory locations...
401         BasicBlock::iterator BI = (*SI)->begin();
402         while (isa<PHINode>(*BI))
403           ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block...
404         Instruction *InsertPos = BI;
405         for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
406           // Load from the alloca...
407           LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
408           // Store into the memory we promoted...
409           new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
410         }
411       }
412   }
413
414   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
415   // all of the new allocas we just created into real SSA registers...
416   //
417   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
418   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
419   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
420     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
421   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, AA->getTargetData());
422 }
423
424 /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
425 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
426 /// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
427 /// and keep track of the mapping from value to alloca...
428 ///
429 void LICM::findPromotableValuesInLoop(
430                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
431                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
432   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
433
434   // Loop over all of the alias sets in the tracker object...
435   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
436        I != E; ++I) {
437     AliasSet &AS = *I;
438     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
439     // set, and if the pointer is loop invariant.
440     if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
441         isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
442       assert(AS.begin() != AS.end() &&
443              "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
444       Value *V = AS.begin()->first;
445
446       // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
447       // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
448       // different sizes.
449       bool PointerOk = true;
450       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
451         if (V->getType() != I->first->getType()) {
452           PointerOk = false;
453           break;
454         }
455
456       if (PointerOk) {
457         const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
458         AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
459         PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
460         
461         for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
462           ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
463         
464         DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
465       }
466     }
467   }
468 }