Rename loop preheaders pass to loop simplify
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 // This pass is a simple loop invariant code motion pass.  An interesting aspect
4 // of this pass is that it uses alias analysis for two purposes:
5 //
6 //  1. Moving loop invariant loads out of loops.  If we can determine that a
7 //     load inside of a loop never aliases anything stored to, we can hoist it
8 //     like any other instruction.
9 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
10 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
11 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
12 //       A. The pointer stored through is loop invariant
13 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
14 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
15 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
16 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
17 //     the mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
18 //     variable.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
24 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
27 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
28 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/DerivedTypes.h"
31 #include "llvm/Target/TargetData.h"
32 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "Support/CommandLine.h"
35 #include "Support/Debug.h"
36 #include "Support/Statistic.h"
37 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
38 #include <algorithm>
39
40 namespace {
41   cl::opt<bool> DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
42                              cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
43
44   Statistic<> NumHoisted("licm", "Number of instructions hoisted out of loop");
45   Statistic<> NumHoistedLoads("licm", "Number of load insts hoisted");
46   Statistic<> NumPromoted("licm", "Number of memory locations promoted to registers");
47
48   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
49     virtual bool runOnFunction(Function &F);
50
51     /// This transformation requires natural loop information & requires that
52     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
53     ///
54     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
55       AU.setPreservesCFG();
56       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
57       AU.addRequired<LoopInfo>();
58       AU.addRequired<DominatorTree>();
59       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
60       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
61     }
62
63   private:
64     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
65     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
66     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
67     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
68     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
69     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
70     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
71     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
72
73     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
74     ///
75     void visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST);
76
77     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
78     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
79     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
80     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
81     /// pass without iteration.
82     ///
83     void HoistRegion(DominatorTree::Node *N);
84
85     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
86     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
87     ///
88     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
89       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
90       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
91         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
92           return true;  // A subloop actually contains this block!
93       return false;
94     }
95
96     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
97     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
98     ///
99     void hoist(Instruction &I);
100
101     /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping instruction
102     /// or if it is a trapping instruction and is guaranteed to execute
103     ///
104     bool SafeToHoist(Instruction &I);
105
106     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
107     /// store into the memory location pointed to by V.
108     /// 
109     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
110       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
111       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, 0).isMod();
112     }
113
114     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
115     ///
116     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
117       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
118         return !CurLoop->contains(I->getParent());
119       return true;  // All non-instructions are loop invariant
120     }
121
122     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
123     /// to scalars as we can.
124     ///
125     void PromoteValuesInLoop();
126
127     /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
128     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
129     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
130     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
131     /// alloca...
132     ///
133     void findPromotableValuesInLoop(
134                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
135                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
136     
137
138     /// Instruction visitation handlers... these basically control whether or
139     /// not the specified instruction types are hoisted.
140     ///
141     friend class InstVisitor<LICM>;
142     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
143       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && isLoopInvariant(I.getOperand(1)) && SafeToHoist(I))
144         hoist(I);
145     }
146     void visitCastInst(CastInst &CI) {
147       Instruction &I = (Instruction&)CI;
148       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && SafeToHoist(CI)) hoist(I);
149     }
150     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
151
152     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
153
154     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
155       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
156       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
157         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
158       if(SafeToHoist(GEPI))
159         hoist(I);
160     }
161   };
162
163   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
164 }
165
166 Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
167
168 /// runOnFunction - For LICM, this simply traverses the loop structure of the
169 /// function, hoisting expressions out of loops if possible.
170 ///
171 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
172   Changed = false;
173
174   // Get our Loop and Alias Analysis information...
175   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
176   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
177   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
178   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
179
180   // Hoist expressions out of all of the top-level loops.
181   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops = LI->getTopLevelLoops();
182   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = TopLevelLoops.begin(),
183          E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I) {
184     AliasSetTracker AST(*AA);
185     LICM::visitLoop(*I, AST);
186   }
187   return Changed;
188 }
189
190
191 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
192 ///
193 void LICM::visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST) {
194   // Recurse through all subloops before we process this loop...
195   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = L->getSubLoops().begin(),
196          E = L->getSubLoops().end(); I != E; ++I) {
197     AliasSetTracker SubAST(*AA);
198     LICM::visitLoop(*I, SubAST);
199
200     // Incorporate information about the subloops into this loop...
201     AST.add(SubAST);
202   }
203   CurLoop = L;
204   CurAST = &AST;
205
206   // Get the preheader block to move instructions into...
207   Preheader = L->getLoopPreheader();
208   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
209
210   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
211   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
212   // subloops.
213   //
214   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = L->getBlocks();
215   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
216          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I)
217     if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
218       AST.add(**I);                     // Incorporate the specified basic block
219
220   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
221   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
222   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
223   // the subloops).
224   //
225   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
226   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
227   // us to perform the LICM transformation in one pass, without iteration.
228   //
229   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
230
231   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
232   // memory references to scalars that we can...
233   if (!DisablePromotion)
234     PromoteValuesInLoop();
235
236   // Clear out loops state information for the next iteration
237   CurLoop = 0;
238   Preheader = 0;
239 }
240
241 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
242 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
243 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
244 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
245 ///
246 void LICM::HoistRegion(DominatorTree::Node *N) {
247   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
248
249   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
250   if (!CurLoop->contains(N->getBlock())) return;
251
252   // Only need to hoist the contents of this block if it is not part of a
253   // subloop (which would already have been hoisted)
254   if (!inSubLoop(N->getBlock()))
255     visit(*N->getBlock());
256
257   const std::vector<DominatorTree::Node*> &Children = N->getChildren();
258   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
259     HoistRegion(Children[i]);
260 }
261
262
263 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
264 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
265 ///
266 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
267   DEBUG(std::cerr << "LICM hoisting to";
268         WriteAsOperand(std::cerr, Preheader, false);
269         std::cerr << ": " << Inst);
270
271   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
272   // instruction.
273   Inst.getParent()->getInstList().remove(&Inst);
274
275   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
276   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &Inst);
277   
278   ++NumHoisted;
279   Changed = true;
280 }
281
282 /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping instruction
283 /// or if it is a trapping instruction and is guaranteed to execute
284 ///
285 bool LICM::SafeToHoist(Instruction &Inst) {
286
287   //If it is a trapping instruction, then check if its guaranteed to execute.
288   if(Inst.isTrapping()) {
289
290     //Get the instruction's basic block.
291     BasicBlock *InstBB = Inst.getParent();
292     
293     //Get the Dominator Tree Node for the instruction's basic block/
294     DominatorTree::Node *InstDTNode = DT->getNode(InstBB);
295
296     //Get the exit blocks for the current loop.
297     const std::vector<BasicBlock* > &ExitBlocks = CurLoop->getExitBlocks();
298
299     //For each exit block, get the DT node and walk up the DT until
300     //the instruction's basic block is found or we exit the loop.
301     for(unsigned i=0; i < ExitBlocks.size(); ++i) {
302       DominatorTree::Node *IDom = DT->getNode(ExitBlocks[i]);
303       
304       while(IDom != InstDTNode) {
305  
306         //Get next Immediate Dominator.
307         IDom = IDom->getIDom();
308
309         //See if we exited the loop.
310         if(!CurLoop->contains(IDom->getBlock()))
311           return false;
312       }
313     }
314   }
315   
316   return true;
317 }
318
319
320 void LICM::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
321   if (isLoopInvariant(LI.getOperand(0)) && !LI.isVolatile() &&
322       !pointerInvalidatedByLoop(LI.getOperand(0)) && SafeToHoist(LI)) {
323     hoist(LI);
324     ++NumHoistedLoads;
325   }
326 }
327
328 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
329 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
330 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
331 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
332 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
333 /// PromoteMem2Reg functionality.
334 ///
335 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
336   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
337   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
338   // pointer.
339   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
340   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
341
342   findPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
343   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote...
344
345   Changed = true;
346   NumPromoted += PromotedValues.size();
347
348   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
349   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
350   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
351     // Load from the memory we are promoting...
352     LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].second, 
353                                 PromotedValues[i].second->getName()+".promoted",
354                                 LoopPredInst);
355     // Store into the temporary alloca...
356     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
357   }
358   
359   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
360   // uses of the allocas in question.  If we find a branch that exits the
361   // loop, make sure to put reload code into all of the successors of the
362   // loop.
363   //
364   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
365   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
366          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
367     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
368     for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
369          II != E; ++II) {
370       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
371         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
372           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
373         if (I != ValueToAllocaMap.end())
374           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
375       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
376         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
377           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
378         if (I != ValueToAllocaMap.end())
379           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
380       }
381     }
382
383     // Check to see if any successors of this block are outside of the loop.
384     // If so, we need to copy the value from the alloca back into the memory
385     // location...
386     //
387     for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
388       if (!CurLoop->contains(*SI)) {
389         // Copy all of the allocas into their memory locations...
390         BasicBlock::iterator BI = (*SI)->begin();
391         while (isa<PHINode>(*BI))
392           ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block...
393         Instruction *InsertPos = BI;
394         for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
395           // Load from the alloca...
396           LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
397           // Store into the memory we promoted...
398           new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
399         }
400       }
401   }
402
403   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
404   // all of the new allocas we just created into real SSA registers...
405   //
406   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
407   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
408   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
409     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
410   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, AA->getTargetData());
411 }
412
413 /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
414 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
415 /// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
416 /// and keep track of the mapping from value to alloca...
417 ///
418 void LICM::findPromotableValuesInLoop(
419                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
420                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
421   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
422
423   // Loop over all of the alias sets in the tracker object...
424   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
425        I != E; ++I) {
426     AliasSet &AS = *I;
427     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
428     // set, and if the pointer is loop invariant.
429     if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
430         isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
431       assert(AS.begin() != AS.end() &&
432              "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
433       Value *V = AS.begin()->first;
434
435       // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
436       // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
437       // different sizes.
438       bool PointerOk = true;
439       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
440         if (V->getType() != I->first->getType()) {
441           PointerOk = false;
442           break;
443         }
444
445       if (PointerOk) {
446         const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
447         AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
448         PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
449         
450         for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
451           ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
452         
453         DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
454       }
455     }
456   }
457 }