split ssa updating code out to its own helper function. Don't bother
[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 is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
11 // code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting
12 // code into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is
13 // safe.  This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to
14 // live in registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
19 //     that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to,
20 //     we can hoist it or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the SSAUpdater to construct the appropriate SSA form for the value.
30 //
31 //===----------------------------------------------------------------------===//
32
33 #define DEBUG_TYPE "licm"
34 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
35 #include "llvm/Constants.h"
36 #include "llvm/DerivedTypes.h"
37 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
38 #include "llvm/Instructions.h"
39 #include "llvm/LLVMContext.h"
40 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
41 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
42 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
43 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
44 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
45 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
47 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
50 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
51 #include "llvm/Support/Debug.h"
52 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
53 #include <algorithm>
54 using namespace llvm;
55
56 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
57 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
58 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
59 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
60 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
61
62 static cl::opt<bool>
63 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
64                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
65
66 namespace {
67   struct LICM : public LoopPass {
68     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
69     LICM() : LoopPass(ID) {
70       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
71     }
72
73     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
74
75     /// This transformation requires natural loop information & requires that
76     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
77     ///
78     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
79       AU.setPreservesCFG();
80       AU.addRequired<DominatorTree>();
81       AU.addRequired<LoopInfo>();
82       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
83       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
84       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
85       AU.addPreserved("scalar-evolution");
86       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
87     }
88
89     bool doFinalization() {
90       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
91       return false;
92     }
93
94   private:
95     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
96     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
97     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
98
99     // State that is updated as we process loops.
100     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
101     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
102     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
103     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
104     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
105
106     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
107     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
108
109     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
110     /// set.
111     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
112
113     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
114     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
115     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
116     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
117     /// pass without iteration.
118     ///
119     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
120
121     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
122     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
123     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
124     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
125     /// pass without iteration.
126     ///
127     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
128
129     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
130     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
131     ///
132     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
133       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
134       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
135     }
136
137     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
138     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
139     /// needed.
140     ///
141     void sink(Instruction &I);
142
143     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
144     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
145     ///
146     void hoist(Instruction &I);
147
148     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
149     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
150     /// guaranteed to execute.
151     ///
152     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
153
154     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
155     /// store into the memory location pointed to by V.
156     ///
157     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
158                                   const MDNode *TBAAInfo) {
159       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
160       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, TBAAInfo).isMod();
161     }
162
163     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
164     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
165
166     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS);
167   };
168 }
169
170 char LICM::ID = 0;
171 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
172 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
173 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
174 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
175 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
176 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
177
178 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
179
180 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
181 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
182 /// times on one loop.
183 ///
184 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
185   Changed = false;
186
187   // Get our Loop and Alias Analysis information...
188   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
189   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
190   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
191
192   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
193   // Collect Alias info from subloops.
194   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
195        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
196     Loop *InnerL = *LoopItr;
197     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
198     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
199
200     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
201     CurAST->add(*InnerAST);
202     
203     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
204     // subloop's anymore.
205     delete InnerAST;
206     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
207   }
208   
209   CurLoop = L;
210
211   // Get the preheader block to move instructions into...
212   Preheader = L->getLoopPreheader();
213
214   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
215   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
216   // subloops.
217   //
218   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
219        I != E; ++I) {
220     BasicBlock *BB = *I;
221     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
222       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
223   }
224
225   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
226   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
227   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
228   // the subloops).
229   //
230   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
231   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
232   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
233   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
234   //
235   if (L->hasDedicatedExits())
236     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
237   if (Preheader)
238     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
239
240   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
241   // memory references to scalars that we can.
242   if (!DisablePromotion && Preheader && L->hasDedicatedExits()) {
243     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
244     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
245          I != E; ++I)
246       PromoteAliasSet(*I);
247   }
248   
249   // Clear out loops state information for the next iteration
250   CurLoop = 0;
251   Preheader = 0;
252
253   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
254   // for when we process the outer loop.
255   if (L->getParentLoop())
256     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
257   else
258     delete CurAST;
259   return Changed;
260 }
261
262 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
263 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
264 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
265 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
266 /// iteration.
267 ///
268 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
269   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
270   BasicBlock *BB = N->getBlock();
271
272   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
273   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
274
275   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
276   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
277   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
278     SinkRegion(Children[i]);
279
280   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
281   // subloop (which would already have been processed).
282   if (inSubLoop(BB)) return;
283
284   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
285     Instruction &I = *--II;
286     
287     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
288     // in the loop, instead, just delete it.
289     if (isInstructionTriviallyDead(&I)) {
290       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
291       ++II;
292       CurAST->deleteValue(&I);
293       I.eraseFromParent();
294       Changed = true;
295       continue;
296     }
297
298     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
299     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
300     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
301     // operands of the instruction are loop invariant.
302     //
303     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
304       ++II;
305       sink(I);
306     }
307   }
308 }
309
310 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
311 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
312 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
313 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
314 ///
315 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
316   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
317   BasicBlock *BB = N->getBlock();
318
319   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
320   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
321
322   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
323   // subloop (which would already have been processed).
324   if (!inSubLoop(BB))
325     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
326       Instruction &I = *II++;
327
328       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
329       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
330       // fold it.
331       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I)) {
332         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
333         CurAST->copyValue(&I, C);
334         CurAST->deleteValue(&I);
335         I.replaceAllUsesWith(C);
336         I.eraseFromParent();
337         continue;
338       }
339       
340       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
341       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
342       // is safe to hoist the instruction.
343       //
344       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
345           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
346         hoist(I);
347     }
348
349   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
350   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
351     HoistRegion(Children[i]);
352 }
353
354 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
355 /// instruction.
356 ///
357 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
358   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
359   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
360     if (LI->isVolatile())
361       return false;        // Don't hoist volatile loads!
362
363     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
364     // in the same alias set as something that ends up being modified.
365     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
366       return true;
367     
368     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
369     uint64_t Size = 0;
370     if (LI->getType()->isSized())
371       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
372     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size,
373                                      LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
374   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
375     // Handle obvious cases efficiently.
376     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
377     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
378       return true;
379     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
380       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
381       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
382       bool FoundMod = false;
383       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
384            I != E; ++I) {
385         AliasSet &AS = *I;
386         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
387           FoundMod = true;
388           break;
389         }
390       }
391       if (!FoundMod) return true;
392     }
393
394     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
395     // the call.
396
397     return false;
398   }
399
400   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
401   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
402          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
403          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
404          isa<ShuffleVectorInst>(I);
405 }
406
407 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
408 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
409 /// exit blocks of the loop.
410 ///
411 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
412   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
413     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
414     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
415       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
416       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
417         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
418           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
419             return false;
420     } else if (CurLoop->contains(User)) {
421       return false;
422     }
423   }
424   return true;
425 }
426
427
428 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
429 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
430 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
431 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
432 ///
433 void LICM::sink(Instruction &I) {
434   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
435
436   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
437   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
438
439   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
440   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
441   ++NumSunk;
442   Changed = true;
443
444   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
445   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
446   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
447   if (ExitBlocks.size() == 1) {
448     if (!DT->dominates(I.getParent(), ExitBlocks[0])) {
449       // Instruction is not used, just delete it.
450       CurAST->deleteValue(&I);
451       // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
452       // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
453       // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
454       if (!I.use_empty())
455         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
456       I.eraseFromParent();
457     } else {
458       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
459       // nodes in it.
460       I.moveBefore(ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI());
461
462       // This instruction is no longer in the AST for the current loop, because
463       // we just sunk it out of the loop.  If we just sunk it into an outer
464       // loop, we will rediscover the operation when we process it.
465       CurAST->deleteValue(&I);
466     }
467     return;
468   }
469   
470   if (ExitBlocks.empty()) {
471     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
472     CurAST->deleteValue(&I);
473     // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
474     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
475     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
476     if (!I.use_empty())
477       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
478     I.eraseFromParent();
479     return;
480   }
481   
482   // Otherwise, if we have multiple exits, use the SSAUpdater to do all of the
483   // hard work of inserting PHI nodes as necessary.
484   SmallVector<PHINode*, 8> NewPHIs;
485   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
486   
487   if (!I.use_empty())
488     SSA.Initialize(I.getType(), I.getName());
489   
490   // Insert a copy of the instruction in each exit block of the loop that is
491   // dominated by the instruction.  Each exit block is known to only be in the
492   // ExitBlocks list once.
493   BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
494   unsigned NumInserted = 0;
495   
496   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
497     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
498     
499     if (!DT->dominates(InstOrigBB, ExitBlock))
500       continue;
501     
502     // Insert the code after the last PHI node.
503     BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
504     
505     // If this is the first exit block processed, just move the original
506     // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
507     // the copy.
508     Instruction *New;
509     if (NumInserted++ == 0) {
510       I.moveBefore(InsertPt);
511       New = &I;
512     } else {
513       New = I.clone();
514       if (!I.getName().empty())
515         New->setName(I.getName()+".le");
516       ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
517     }
518     
519     // Now that we have inserted the instruction, inform SSAUpdater.
520     if (!I.use_empty())
521       SSA.AddAvailableValue(ExitBlock, New);
522   }
523   
524   // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
525   if (NumInserted == 0) {
526     CurAST->deleteValue(&I);
527     if (!I.use_empty())
528       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
529     I.eraseFromParent();
530     return;
531   }
532   
533   // Next, rewrite uses of the instruction, inserting PHI nodes as needed.
534   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE; ) {
535     // Grab the use before incrementing the iterator.
536     Use &U = UI.getUse();
537     // Increment the iterator before removing the use from the list.
538     ++UI;
539     SSA.RewriteUseAfterInsertions(U);
540   }
541   
542   // Update CurAST for NewPHIs if I had pointer type.
543   if (I.getType()->isPointerTy())
544     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
545       CurAST->copyValue(&I, NewPHIs[i]);
546   
547   // Finally, remove the instruction from CurAST.  It is no longer in the loop.
548   CurAST->deleteValue(&I);
549 }
550
551 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
552 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
553 ///
554 void LICM::hoist(Instruction &I) {
555   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
556         << I << "\n");
557
558   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
559   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
560
561   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
562   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
563   ++NumHoisted;
564   Changed = true;
565 }
566
567 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
568 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
569 /// guaranteed to execute.
570 ///
571 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
572   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
573   if (Inst.isSafeToSpeculativelyExecute())
574     return true;
575
576   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
577   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
578   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
579
580   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
581   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
582   // is a common case, and can save some work, check it now.
583   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
584     return true;
585
586   // Get the exit blocks for the current loop.
587   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
588   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
589
590   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
591   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
592     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
593       return false;
594
595   return true;
596 }
597
598 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
599 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
600 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
601 /// which are loop invariant.
602 ///
603 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS) {
604   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
605   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
606   // volatile loads or stores.
607   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
608       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
609     return;
610   
611   assert(!AS.empty() &&
612          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
613   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
614
615   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
616   // conditional.  For example, turning:
617   //
618   //    for () { if (c) *P += 1; }
619   //
620   // into:
621   //
622   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
623   //
624   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
625   // 
626   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
627   // least one is guaranteed to be executed.
628   bool GuaranteedToExecute = false;
629   
630   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
631   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
632
633   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
634   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
635   // different sizes.
636   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
637     Value *ASIV = ASI->getValue();
638     PointerMustAliases.insert(ASIV);
639     
640     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
641     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
642     // different sizes.
643     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
644       return;
645     
646     for (Value::use_iterator UI = ASIV->use_begin(), UE = ASIV->use_end();
647          UI != UE; ++UI) {
648       // Ignore instructions that are outside the loop.
649       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
650       if (!Use || !CurLoop->contains(Use))
651         continue;
652       
653       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
654       // it.
655       if (isa<LoadInst>(Use))
656         assert(!cast<LoadInst>(Use)->isVolatile() && "AST broken");
657       else if (isa<StoreInst>(Use)) {
658         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
659         // pointer.
660         if (Use->getOperand(1) != ASIV)
661           continue;
662         assert(!cast<StoreInst>(Use)->isVolatile() && "AST broken");
663       } else
664         return; // Not a load or store.
665       
666       if (!GuaranteedToExecute)
667         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
668       
669       LoopUses.push_back(Use);
670     }
671   }
672   
673   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
674   if (!GuaranteedToExecute)
675     return;
676   
677   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
678   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');  
679   Changed = true;
680   ++NumPromoted;
681
682   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
683   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
684   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
685   
686   // It wants to know some value of the same type as what we'll be inserting.
687   Value *SomeValue;
688   if (isa<LoadInst>(LoopUses[0]))
689     SomeValue = LoopUses[0];
690   else
691     SomeValue = cast<StoreInst>(LoopUses[0])->getOperand(0);
692   SSA.Initialize(SomeValue->getType(), SomeValue->getName());
693
694   // First step: bucket up uses of the pointers by the block they occur in.
695   // This is important because we have to handle multiple defs/uses in a block
696   // ourselves: SSAUpdater is purely for cross-block references.
697   // FIXME: Want a TinyVector<Instruction*> since there is usually 0/1 element.
698   DenseMap<BasicBlock*, std::vector<Instruction*> > UsesByBlock;
699   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
700     Instruction *User = LoopUses[i];
701     UsesByBlock[User->getParent()].push_back(User);
702   }
703   
704   // Okay, now we can iterate over all the blocks in the loop with uses,
705   // processing them.  Keep track of which loads are loading a live-in value.
706   SmallVector<LoadInst*, 32> LiveInLoads;
707   DenseMap<Value*, Value*> ReplacedLoads;
708   
709   for (unsigned LoopUse = 0, e = LoopUses.size(); LoopUse != e; ++LoopUse) {
710     Instruction *User = LoopUses[LoopUse];
711     std::vector<Instruction*> &BlockUses = UsesByBlock[User->getParent()];
712     
713     // If this block has already been processed, ignore this repeat use.
714     if (BlockUses.empty()) continue;
715     
716     // Okay, this is the first use in the block.  If this block just has a
717     // single user in it, we can rewrite it trivially.
718     if (BlockUses.size() == 1) {
719       // If it is a store, it is a trivial def of the value in the block.
720       if (isa<StoreInst>(User)) {
721         SSA.AddAvailableValue(User->getParent(),
722                               cast<StoreInst>(User)->getOperand(0));
723       } else {
724         // Otherwise it is a load, queue it to rewrite as a live-in load.
725         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(User));
726       }
727       BlockUses.clear();
728       continue;
729     }
730     
731     // Otherwise, check to see if this block is all loads.  If so, we can queue
732     // them all as live in loads.
733     bool HasStore = false;
734     for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i) {
735       if (isa<StoreInst>(BlockUses[i])) {
736         HasStore = true;
737         break;
738       }
739     }
740     
741     if (!HasStore) {
742       for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i)
743         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(BlockUses[i]));
744       BlockUses.clear();
745       continue;
746     }
747
748     // Otherwise, we have mixed loads and stores (or just a bunch of stores).
749     // Since SSAUpdater is purely for cross-block values, we need to determine
750     // the order of these instructions in the block.  If the first use in the
751     // block is a load, then it uses the live in value.  The last store defines
752     // the live out value.  We handle this by doing a linear scan of the block.
753     BasicBlock *BB = User->getParent();
754     Value *StoredValue = 0;
755     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
756       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
757         // If this is a load from an unrelated pointer, ignore it.
758         if (!PointerMustAliases.count(L->getOperand(0))) continue;
759
760         // If we haven't seen a store yet, this is a live in use, otherwise
761         // use the stored value.
762         if (StoredValue) {
763           L->replaceAllUsesWith(StoredValue);
764           ReplacedLoads[L] = StoredValue;
765         } else {
766           LiveInLoads.push_back(L);
767         }
768         continue;
769       }
770       
771       if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
772         // If this is a store to an unrelated pointer, ignore it.
773         if (!PointerMustAliases.count(S->getOperand(1))) continue;
774
775         // Remember that this is the active value in the block.
776         StoredValue = S->getOperand(0);
777       }
778     }
779     
780     // The last stored value that happened is the live-out for the block.
781     assert(StoredValue && "Already checked that there is a store in block");
782     SSA.AddAvailableValue(BB, StoredValue);
783     BlockUses.clear();
784   }
785   
786   // Now that all the intra-loop values are classified, set up the preheader.
787   // It gets a load of the pointer we're promoting, and it is the live-out value
788   // from the preheader.
789   LoadInst *PreheaderLoad = new LoadInst(SomePtr,SomePtr->getName()+".promoted",
790                                          Preheader->getTerminator());
791   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
792
793   // Now that the preheader is good to go, set up the exit blocks.  Each exit
794   // block gets a store of the live-out values that feed them.  Since we've
795   // already told the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
796   // definition, it is all set and we can start using it.
797   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
798   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
799   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
800     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
801     Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
802     Instruction *InsertPos = ExitBlock->getFirstNonPHI();
803     new StoreInst(LiveInValue, SomePtr, InsertPos);
804   }
805
806   // Okay, now we rewrite all loads that use live-in values in the loop,
807   // inserting PHI nodes as necessary.
808   for (unsigned i = 0, e = LiveInLoads.size(); i != e; ++i) {
809     LoadInst *ALoad = LiveInLoads[i];
810     Value *NewVal = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ALoad->getParent());
811     ALoad->replaceAllUsesWith(NewVal);
812     CurAST->copyValue(ALoad, NewVal);
813     ReplacedLoads[ALoad] = NewVal;
814   }
815   
816   // If the preheader load is itself a pointer, we need to tell alias analysis
817   // about the new pointer we created in the preheader block and about any PHI
818   // nodes that just got inserted.
819   if (PreheaderLoad->getType()->isPointerTy()) {
820     // Copy any value stored to or loaded from a must-alias of the pointer.
821     CurAST->copyValue(SomeValue, PreheaderLoad);
822     
823     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
824       CurAST->copyValue(SomeValue, NewPHIs[i]);
825   }
826   
827   // Now that everything is rewritten, delete the old instructions from the body
828   // of the loop.  They should all be dead now.
829   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
830     Instruction *User = LoopUses[i];
831     
832     // If this is a load that still has uses, then the load must have been added
833     // as a live value in the SSAUpdate data structure for a block (e.g. because
834     // the loaded value was stored later).  In this case, we need to recursively
835     // propagate the updates until we get to the real value.
836     if (!User->use_empty()) {
837       Value *NewVal = ReplacedLoads[User];
838       assert(NewVal && "not a replaced load?");
839       
840       // Propagate down to the ultimate replacee.  The intermediately loads
841       // could theoretically already have been deleted, so we don't want to
842       // dereference the Value*'s.
843       DenseMap<Value*, Value*>::iterator RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
844       while (RLI != ReplacedLoads.end()) {
845         NewVal = RLI->second;
846         RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
847       }
848       
849       User->replaceAllUsesWith(NewVal);
850       CurAST->copyValue(User, NewVal);
851     }
852     
853     CurAST->deleteValue(User);
854     User->eraseFromParent();
855   }
856   
857   // fwew, we're done!
858 }
859
860
861 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
862 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
863   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
864   if (!AST)
865     return;
866
867   AST->copyValue(From, To);
868 }
869
870 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
871 /// set.
872 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
873   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
874   if (!AST)
875     return;
876
877   AST->deleteValue(V);
878 }