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