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