Instruction::clone does not need to take an LLVMContext&. Remove that and
[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 mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
30 //     variable.
31 //
32 //===----------------------------------------------------------------------===//
33
34 #define DEBUG_TYPE "licm"
35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
36 #include "llvm/Constants.h"
37 #include "llvm/DerivedTypes.h"
38 #include "llvm/Instructions.h"
39 #include "llvm/Target/TargetData.h"
40 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
41 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
42 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
43 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
44 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
45 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include "llvm/Support/Debug.h"
51 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
52 #include <algorithm>
53 using namespace llvm;
54
55 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
56 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
57 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
58 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
59 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
60
61 static cl::opt<bool>
62 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
63                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
64
65 // This feature is currently disabled by default because CodeGen is not yet
66 // capable of rematerializing these constants in PIC mode, so it can lead to
67 // degraded performance. Compile test/CodeGen/X86/remat-constant.ll with
68 // -relocation-model=pic to see an example of this.
69 static cl::opt<bool>
70 EnableLICMConstantMotion("enable-licm-constant-variables", cl::Hidden,
71                          cl::desc("Enable hoisting/sinking of constant "
72                                   "global variables"));
73
74 namespace {
75   struct LICM : public LoopPass {
76     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
77     LICM() : LoopPass(&ID) {}
78
79     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
80
81     /// This transformation requires natural loop information & requires that
82     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
83     ///
84     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
85       AU.setPreservesCFG();
86       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
87       AU.addRequired<LoopInfo>();
88       AU.addRequired<DominatorTree>();
89       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
90       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
91       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
92       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
93       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
94     }
95
96     bool doFinalization() {
97       // Free the values stored in the map
98       for (std::map<Loop *, AliasSetTracker *>::iterator
99              I = LoopToAliasMap.begin(), E = LoopToAliasMap.end(); I != E; ++I)
100         delete I->second;
101
102       LoopToAliasMap.clear();
103       return false;
104     }
105
106   private:
107     // Various analyses that we use...
108     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
109     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
110     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
111     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
112
113     // State that is updated as we process loops
114     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
115     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
116     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
117     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
118     std::map<Loop *, AliasSetTracker *> LoopToAliasMap;
119
120     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
121     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
122
123     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
124     /// set.
125     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
126
127     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
128     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
129     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
130     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
131     /// pass without iteration.
132     ///
133     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
134
135     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
136     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
137     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
138     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
139     /// pass without iteration.
140     ///
141     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
142
143     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
144     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
145     ///
146     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
147       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
148       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
149         if ((*I)->contains(BB))
150           return true;  // A subloop actually contains this block!
151       return false;
152     }
153
154     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
155     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
156     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
157     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
158     /// searched.
159     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
160                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
161       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
162       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
163       if (BlockInLoop == LoopHeader)
164         return true;
165
166       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
167       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
168
169       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
170       // least_ its immediate dominator.
171       do {
172         // Get next Immediate Dominator.
173         IDom = IDom->getIDom();
174
175         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
176         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
177         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
178           return false;
179
180       } while (IDom != BlockInLoopNode);
181
182       return true;
183     }
184
185     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
186     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
187     /// needed.
188     ///
189     void sink(Instruction &I);
190
191     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
192     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
193     ///
194     void hoist(Instruction &I);
195
196     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
197     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
198     /// guaranteed to execute.
199     ///
200     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
201
202     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
203     /// store into the memory location pointed to by V.
204     ///
205     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, unsigned Size) {
206       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
207       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size).isMod();
208     }
209
210     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
211     bool isLoopInvariantInst(Instruction &I);
212     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
213
214     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
215     /// to scalars as we can.
216     ///
217     void PromoteValuesInLoop();
218
219     /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
220     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
221     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
222     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
223     /// alloca...
224     ///
225     void FindPromotableValuesInLoop(
226                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
227                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
228   };
229 }
230
231 char LICM::ID = 0;
232 static RegisterPass<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
233
234 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
235
236 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
237 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
238 /// times on one loop.
239 ///
240 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
241   Changed = false;
242
243   // Get our Loop and Alias Analysis information...
244   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
245   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
246   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
247   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
248
249   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
250   // Collect Alias info from subloops
251   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
252        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
253     Loop *InnerL = *LoopItr;
254     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasMap[InnerL];
255     assert (InnerAST && "Where is my AST?");
256
257     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
258     CurAST->add(*InnerAST);
259   }
260   
261   CurLoop = L;
262
263   // Get the preheader block to move instructions into...
264   Preheader = L->getLoopPreheader();
265   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
266
267   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
268   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
269   // subloops.
270   //
271   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
272        I != E; ++I) {
273     BasicBlock *BB = *I;
274     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops...
275       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
276   }
277
278   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
279   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
280   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
281   // the subloops).
282   //
283   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
284   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
285   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
286   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
287   //
288   SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
289   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
290
291   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
292   // memory references to scalars that we can...
293   if (!DisablePromotion)
294     PromoteValuesInLoop();
295
296   // Clear out loops state information for the next iteration
297   CurLoop = 0;
298   Preheader = 0;
299
300   LoopToAliasMap[L] = CurAST;
301   return Changed;
302 }
303
304 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
305 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
306 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
307 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
308 /// iteration.
309 ///
310 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
311   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
312   BasicBlock *BB = N->getBlock();
313
314   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
315   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
316
317   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first...
318   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
319   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
320     SinkRegion(Children[i]);
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)) return;
325
326   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
327     Instruction &I = *--II;
328
329     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
330     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
331     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
332     // operands of the instruction are loop invariant.
333     //
334     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
335       ++II;
336       sink(I);
337     }
338   }
339 }
340
341
342 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
343 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
344 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
345 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
346 ///
347 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
348   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
349   BasicBlock *BB = N->getBlock();
350
351   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
352   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
353
354   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
355   // subloop (which would already have been processed).
356   if (!inSubLoop(BB))
357     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
358       Instruction &I = *II++;
359
360       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
361       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
362       // is safe to hoist the instruction.
363       //
364       if (isLoopInvariantInst(I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
365           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
366         hoist(I);
367       }
368
369   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
370   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
371     HoistRegion(Children[i]);
372 }
373
374 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
375 /// instruction.
376 ///
377 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
378   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
379   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
380     if (LI->isVolatile())
381       return false;        // Don't hoist volatile loads!
382
383     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
384     // in the same alias set as something that ends up being modified.
385     if (EnableLICMConstantMotion &&
386         AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
387       return true;
388     
389     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
390     unsigned Size = 0;
391     if (LI->getType()->isSized())
392       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
393     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size);
394   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
395     // Handle obvious cases efficiently.
396     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
397     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
398       return true;
399     else if (Behavior == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
400       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
401       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
402       bool FoundMod = false;
403       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
404            I != E; ++I) {
405         AliasSet &AS = *I;
406         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
407           FoundMod = true;
408           break;
409         }
410       }
411       if (!FoundMod) return true;
412     }
413
414     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
415     // the call.
416
417     return false;
418   }
419
420   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
421   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
422          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
423          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
424          isa<ShuffleVectorInst>(I);
425 }
426
427 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
428 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
429 /// exit blocks of the loop.
430 ///
431 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
432   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
433     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
434     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
435       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
436       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
437         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
438           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
439             return false;
440     } else if (CurLoop->contains(User->getParent())) {
441       return false;
442     }
443   }
444   return true;
445 }
446
447
448 /// isLoopInvariantInst - Return true if all operands of this instruction are
449 /// loop invariant.  We also filter out non-hoistable instructions here just for
450 /// efficiency.
451 ///
452 bool LICM::isLoopInvariantInst(Instruction &I) {
453   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
454   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
455     if (!CurLoop->isLoopInvariant(I.getOperand(i)))
456       return false;
457
458   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
459   return true;
460 }
461
462 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
463 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
464 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
465 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
466 ///
467 void LICM::sink(Instruction &I) {
468   DEBUG(errs() << "LICM sinking instruction: " << I);
469
470   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
471   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
472
473   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
474   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
475   ++NumSunk;
476   Changed = true;
477
478   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
479   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
480   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
481   if (ExitBlocks.size() == 1) {
482     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
483       // Instruction is not used, just delete it.
484       CurAST->deleteValue(&I);
485       if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
486         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
487       I.eraseFromParent();
488     } else {
489       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
490       // nodes in it.
491       I.removeFromParent();
492
493       BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI();
494       ExitBlocks[0]->getInstList().insert(InsertPt, &I);
495     }
496   } else if (ExitBlocks.empty()) {
497     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
498     CurAST->deleteValue(&I);
499     if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
500       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
501     I.eraseFromParent();
502   } else {
503     // Otherwise, if we have multiple exits, use the PromoteMem2Reg function to
504     // do all of the hard work of inserting PHI nodes as necessary.  We convert
505     // the value into a stack object to get it to do this.
506
507     // Firstly, we create a stack object to hold the value...
508     AllocaInst *AI = 0;
509
510     if (I.getType() != Type::getVoidTy(I.getContext())) {
511       AI = new AllocaInst(I.getType(), 0, I.getName(),
512                           I.getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin());
513       CurAST->add(AI);
514     }
515
516     // Secondly, insert load instructions for each use of the instruction
517     // outside of the loop.
518     while (!I.use_empty()) {
519       Instruction *U = cast<Instruction>(I.use_back());
520
521       // If the user is a PHI Node, we actually have to insert load instructions
522       // in all predecessor blocks, not in the PHI block itself!
523       if (PHINode *UPN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
524         // Only insert into each predecessor once, so that we don't have
525         // different incoming values from the same block!
526         std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedBlocks;
527         for (unsigned i = 0, e = UPN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
528           if (UPN->getIncomingValue(i) == &I) {
529             BasicBlock *Pred = UPN->getIncomingBlock(i);
530             Value *&PredVal = InsertedBlocks[Pred];
531             if (!PredVal) {
532               // Insert a new load instruction right before the terminator in
533               // the predecessor block.
534               PredVal = new LoadInst(AI, "", Pred->getTerminator());
535               CurAST->add(cast<LoadInst>(PredVal));
536             }
537
538             UPN->setIncomingValue(i, PredVal);
539           }
540
541       } else {
542         LoadInst *L = new LoadInst(AI, "", U);
543         U->replaceUsesOfWith(&I, L);
544         CurAST->add(L);
545       }
546     }
547
548     // Thirdly, insert a copy of the instruction in each exit block of the loop
549     // that is dominated by the instruction, storing the result into the memory
550     // location.  Be careful not to insert the instruction into any particular
551     // basic block more than once.
552     std::set<BasicBlock*> InsertedBlocks;
553     BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
554
555     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
556       BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
557
558       if (isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB)) {
559         // If we haven't already processed this exit block, do so now.
560         if (InsertedBlocks.insert(ExitBlock).second) {
561           // Insert the code after the last PHI node...
562           BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
563
564           // If this is the first exit block processed, just move the original
565           // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
566           // the copy.
567           Instruction *New;
568           if (InsertedBlocks.size() == 1) {
569             I.removeFromParent();
570             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, &I);
571             New = &I;
572           } else {
573             New = I.clone();
574             CurAST->copyValue(&I, New);
575             if (!I.getName().empty())
576               New->setName(I.getName()+".le");
577             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
578           }
579
580           // Now that we have inserted the instruction, store it into the alloca
581           if (AI) new StoreInst(New, AI, InsertPt);
582         }
583       }
584     }
585
586     // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
587     if (InsertedBlocks.empty()) {
588       CurAST->deleteValue(&I);
589       I.eraseFromParent();
590     }
591
592     // Finally, promote the fine value to SSA form.
593     if (AI) {
594       std::vector<AllocaInst*> Allocas;
595       Allocas.push_back(AI);
596       PromoteMemToReg(Allocas, *DT, *DF, I.getContext(), CurAST);
597     }
598   }
599 }
600
601 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
602 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
603 ///
604 void LICM::hoist(Instruction &I) {
605   DEBUG(errs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": " << I);
606
607   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
608   // instruction.
609   I.removeFromParent();
610
611   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
612   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &I);
613
614   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
615   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
616   ++NumHoisted;
617   Changed = true;
618 }
619
620 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
621 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
622 /// guaranteed to execute.
623 ///
624 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
625   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
626   if (Inst.isSafeToSpeculativelyExecute())
627     return true;
628
629   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
630   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
631   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
632
633   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
634   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
635   // is a common case, and can save some work, check it now.
636   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
637     return true;
638
639   // Get the exit blocks for the current loop.
640   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
641   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
642
643   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
644   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
645   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
646     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
647       return false;
648
649   return true;
650 }
651
652
653 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
654 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
655 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
656 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
657 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
658 /// PromoteMem2Reg functionality.
659 ///
660 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
661   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
662   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
663   // pointer.
664   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
665   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
666
667   FindPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
668   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote.
669
670   Changed = true;
671   NumPromoted += PromotedValues.size();
672
673   std::vector<Value*> PointerValueNumbers;
674
675   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
676   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
677   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
678     Value *Ptr = PromotedValues[i].second;
679
680     // If we are promoting a pointer value, update alias information for the
681     // inserted load.
682     Value *LoadValue = 0;
683     if (isa<PointerType>(cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType())) {
684       // Locate a load or store through the pointer, and assign the same value
685       // to LI as we are loading or storing.  Since we know that the value is
686       // stored in this loop, this will always succeed.
687       for (Value::use_iterator UI = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
688            UI != E; ++UI)
689         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
690           LoadValue = LI;
691           break;
692         } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
693           if (SI->getOperand(1) == Ptr) {
694             LoadValue = SI->getOperand(0);
695             break;
696           }
697         }
698       assert(LoadValue && "No store through the pointer found!");
699       PointerValueNumbers.push_back(LoadValue);  // Remember this for later.
700     }
701
702     // Load from the memory we are promoting.
703     LoadInst *LI = new LoadInst(Ptr, Ptr->getName()+".promoted", LoopPredInst);
704
705     if (LoadValue) CurAST->copyValue(LoadValue, LI);
706
707     // Store into the temporary alloca.
708     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
709   }
710
711   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
712   // uses of the allocas in question.
713   //
714   for (Loop::block_iterator I = CurLoop->block_begin(),
715          E = CurLoop->block_end(); I != E; ++I) {
716     BasicBlock *BB = *I;
717     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
718     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
719       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
720         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
721           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
722         if (I != ValueToAllocaMap.end())
723           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
724       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
725         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
726           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
727         if (I != ValueToAllocaMap.end())
728           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
729       }
730     }
731   }
732
733   // Now that the body of the loop uses the allocas instead of the original
734   // memory locations, insert code to copy the alloca value back into the
735   // original memory location on all exits from the loop.  Note that we only
736   // want to insert one copy of the code in each exit block, though the loop may
737   // exit to the same block more than once.
738   //
739   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> ProcessedBlocks;
740
741   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
742   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
743   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
744     if (!ProcessedBlocks.insert(ExitBlocks[i]))
745       continue;
746   
747     // Copy all of the allocas into their memory locations.
748     BasicBlock::iterator BI = ExitBlocks[i]->getFirstNonPHI();
749     Instruction *InsertPos = BI;
750     unsigned PVN = 0;
751     for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
752       // Load from the alloca.
753       LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
754
755       // If this is a pointer type, update alias info appropriately.
756       if (isa<PointerType>(LI->getType()))
757         CurAST->copyValue(PointerValueNumbers[PVN++], LI);
758
759       // Store into the memory we promoted.
760       new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
761     }
762   }
763
764   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
765   // all of the new allocas we just created into real SSA registers.
766   //
767   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
768   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
769   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
770     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
771   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, Preheader->getContext(), CurAST);
772 }
773
774 /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
775 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases and are safe
776 /// for promotion.  If these are found, create an alloca for the value, add it 
777 /// to the PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to 
778 /// alloca. 
779 void LICM::FindPromotableValuesInLoop(
780                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
781                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
782   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
783
784   // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
785   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
786        I != E; ++I) {
787     AliasSet &AS = *I;
788     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
789     // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
790     // volatile loads or stores.
791     if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
792         AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
793       continue;
794     
795     assert(!AS.empty() &&
796            "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
797     Value *V = AS.begin()->getValue();
798
799     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
800     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
801     // different sizes.
802     {
803       bool PointerOk = true;
804       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
805         if (V->getType() != I->getValue()->getType()) {
806           PointerOk = false;
807           break;
808         }
809       if (!PointerOk)
810         continue;
811     }
812
813     // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
814     // conditional.  For example, turning:
815     //
816     //    for () { if (c) *P += 1; }
817     //
818     // into:
819     //
820     //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
821     //
822     // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
823     // 
824     // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
825     // least one is guaranteed to be executed.
826     bool GuaranteedToExecute = false;
827     bool InvalidInst = false;
828     for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
829          UI != UE; ++UI) {
830       // Ignore instructions not in this loop.
831       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
832       if (!Use || !CurLoop->contains(Use->getParent()))
833         continue;
834
835       if (!isa<LoadInst>(Use) && !isa<StoreInst>(Use)) {
836         InvalidInst = true;
837         break;
838       }
839       
840       if (!GuaranteedToExecute)
841         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
842     }
843
844     // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
845     // it.  If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't
846     // promote.
847     if (InvalidInst || !GuaranteedToExecute)
848       continue;
849     
850     const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
851     AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
852     PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
853
854     // Update the AST and alias analysis.
855     CurAST->copyValue(V, AI);
856
857     for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
858       ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->getValue(), AI));
859
860     DEBUG(errs() << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
861   }
862 }
863
864 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
865 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
866   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
867   if (!AST)
868     return;
869
870   AST->copyValue(From, To);
871 }
872
873 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
874 /// set.
875 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
876   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
877   if (!AST)
878     return;
879
880   AST->deleteValue(V);
881 }