Teach LICM and AliasSetTracker about AccessesArgumentsReadonly.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
11 // code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting
12 // code into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is
13 // safe.  This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to
14 // live in registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
19 //     that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to,
20 //     we can hoist it or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the SSAUpdater to construct the appropriate SSA form for the value.
30 //
31 //===----------------------------------------------------------------------===//
32
33 #define DEBUG_TYPE "licm"
34 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
35 #include "llvm/Constants.h"
36 #include "llvm/DerivedTypes.h"
37 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
38 #include "llvm/Instructions.h"
39 #include "llvm/LLVMContext.h"
40 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
41 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
42 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
43 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
44 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
45 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
46 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
47 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
48 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
49 #include "llvm/Support/CFG.h"
50 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
51 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
52 #include "llvm/Support/Debug.h"
53 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
54 #include <algorithm>
55 using namespace llvm;
56
57 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
58 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
59 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
60 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
61 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
62
63 static cl::opt<bool>
64 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
65                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
66
67 namespace {
68   struct LICM : public LoopPass {
69     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
70     LICM() : LoopPass(ID) {
71       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
72     }
73
74     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
75
76     /// This transformation requires natural loop information & requires that
77     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
78     ///
79     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
80       AU.setPreservesCFG();
81       AU.addRequired<DominatorTree>();
82       AU.addRequired<LoopInfo>();
83       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
84       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
85       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
86       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
87       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
88     }
89
90     bool doFinalization() {
91       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
92       return false;
93     }
94
95   private:
96     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
97     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
98     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
99
100     // State that is updated as we process loops.
101     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
102     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
103     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
104     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
105     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
106
107     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
108     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
109
110     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
111     /// set.
112     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
113
114     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
115     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
116     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
117     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
118     /// pass without iteration.
119     ///
120     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
121
122     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
123     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
124     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
125     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
126     /// pass without iteration.
127     ///
128     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
129
130     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
131     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
132     ///
133     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
134       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
135       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
136         if ((*I)->contains(BB))
137           return true;  // A subloop actually contains this block!
138       return false;
139     }
140
141     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
142     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
143     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
144     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
145     /// searched.
146     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
147                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
148       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
149       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
150       if (BlockInLoop == LoopHeader)
151         return true;
152
153       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
154       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
155
156       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
157       // least_ its immediate dominator.
158       IDom = IDom->getIDom();
159       
160       while (IDom && IDom != BlockInLoopNode) {
161         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
162         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
163         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
164           return false;
165
166         // Get next Immediate Dominator.
167         IDom = IDom->getIDom();
168       };
169
170       return true;
171     }
172
173     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
174     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
175     /// needed.
176     ///
177     void sink(Instruction &I);
178
179     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
180     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
181     ///
182     void hoist(Instruction &I);
183
184     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
185     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
186     /// guaranteed to execute.
187     ///
188     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
189
190     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
191     /// store into the memory location pointed to by V.
192     ///
193     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
194                                   const MDNode *TBAAInfo) {
195       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
196       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, TBAAInfo).isMod();
197     }
198
199     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
200     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
201
202     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS);
203   };
204 }
205
206 char LICM::ID = 0;
207 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
208 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
209 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
210 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
211 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
212 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
213
214 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
215
216 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
217 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
218 /// times on one loop.
219 ///
220 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
221   Changed = false;
222
223   // Get our Loop and Alias Analysis information...
224   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
225   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
226   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
227
228   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
229   // Collect Alias info from subloops.
230   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
231        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
232     Loop *InnerL = *LoopItr;
233     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
234     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
235
236     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
237     CurAST->add(*InnerAST);
238     
239     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
240     // subloop's anymore.
241     delete InnerAST;
242     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
243   }
244   
245   CurLoop = L;
246
247   // Get the preheader block to move instructions into...
248   Preheader = L->getLoopPreheader();
249
250   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
251   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
252   // subloops.
253   //
254   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
255        I != E; ++I) {
256     BasicBlock *BB = *I;
257     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
258       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
259   }
260
261   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
262   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
263   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
264   // the subloops).
265   //
266   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
267   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
268   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
269   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
270   //
271   if (L->hasDedicatedExits())
272     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
273   if (Preheader)
274     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
275
276   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
277   // memory references to scalars that we can.
278   if (!DisablePromotion && Preheader && L->hasDedicatedExits()) {
279     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
280     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
281          I != E; ++I)
282       PromoteAliasSet(*I);
283   }
284   
285   // Clear out loops state information for the next iteration
286   CurLoop = 0;
287   Preheader = 0;
288
289   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
290   // for when we process the outer loop.
291   if (L->getParentLoop())
292     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
293   else
294     delete CurAST;
295   return Changed;
296 }
297
298 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
299 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
300 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
301 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
302 /// iteration.
303 ///
304 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
305   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
306   BasicBlock *BB = N->getBlock();
307
308   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
309   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
310
311   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
312   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
313   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
314     SinkRegion(Children[i]);
315
316   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
317   // subloop (which would already have been processed).
318   if (inSubLoop(BB)) return;
319
320   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
321     Instruction &I = *--II;
322     
323     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
324     // in the loop, instead, just delete it.
325     if (isInstructionTriviallyDead(&I)) {
326       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
327       ++II;
328       CurAST->deleteValue(&I);
329       I.eraseFromParent();
330       Changed = true;
331       continue;
332     }
333
334     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
335     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
336     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
337     // operands of the instruction are loop invariant.
338     //
339     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
340       ++II;
341       sink(I);
342     }
343   }
344 }
345
346 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
347 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
348 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
349 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
350 ///
351 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
352   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
353   BasicBlock *BB = N->getBlock();
354
355   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
356   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
357
358   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
359   // subloop (which would already have been processed).
360   if (!inSubLoop(BB))
361     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
362       Instruction &I = *II++;
363
364       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
365       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
366       // fold it.
367       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I)) {
368         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
369         CurAST->copyValue(&I, C);
370         CurAST->deleteValue(&I);
371         I.replaceAllUsesWith(C);
372         I.eraseFromParent();
373         continue;
374       }
375       
376       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
377       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
378       // is safe to hoist the instruction.
379       //
380       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
381           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
382         hoist(I);
383     }
384
385   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
386   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
387     HoistRegion(Children[i]);
388 }
389
390 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
391 /// instruction.
392 ///
393 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
394   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
395   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
396     if (LI->isVolatile())
397       return false;        // Don't hoist volatile loads!
398
399     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
400     // in the same alias set as something that ends up being modified.
401     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
402       return true;
403     
404     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
405     uint64_t Size = 0;
406     if (LI->getType()->isSized())
407       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
408     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size,
409                                      LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
410   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
411     // Handle obvious cases efficiently.
412     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
413     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
414       return true;
415     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
416       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
417       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
418       bool FoundMod = false;
419       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
420            I != E; ++I) {
421         AliasSet &AS = *I;
422         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
423           FoundMod = true;
424           break;
425         }
426       }
427       if (!FoundMod) return true;
428     }
429
430     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
431     // the call.
432
433     return false;
434   }
435
436   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
437   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
438          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
439          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
440          isa<ShuffleVectorInst>(I);
441 }
442
443 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
444 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
445 /// exit blocks of the loop.
446 ///
447 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
448   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
449     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
450     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
451       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
452       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
453         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
454           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
455             return false;
456     } else if (CurLoop->contains(User)) {
457       return false;
458     }
459   }
460   return true;
461 }
462
463
464 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
465 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
466 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
467 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
468 ///
469 void LICM::sink(Instruction &I) {
470   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
471
472   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
473   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
474
475   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
476   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
477   ++NumSunk;
478   Changed = true;
479
480   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
481   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
482   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
483   if (ExitBlocks.size() == 1) {
484     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
485       // Instruction is not used, just delete it.
486       CurAST->deleteValue(&I);
487       // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
488       // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
489       // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
490       if (!I.use_empty())
491         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
492       I.eraseFromParent();
493     } else {
494       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
495       // nodes in it.
496       I.moveBefore(ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI());
497
498       // This instruction is no longer in the AST for the current loop, because
499       // we just sunk it out of the loop.  If we just sunk it into an outer
500       // loop, we will rediscover the operation when we process it.
501       CurAST->deleteValue(&I);
502     }
503     return;
504   }
505   
506   if (ExitBlocks.empty()) {
507     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
508     CurAST->deleteValue(&I);
509     // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
510     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
511     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
512     if (!I.use_empty())
513       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
514     I.eraseFromParent();
515     return;
516   }
517   
518   // Otherwise, if we have multiple exits, use the SSAUpdater to do all of the
519   // hard work of inserting PHI nodes as necessary.
520   SmallVector<PHINode*, 8> NewPHIs;
521   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
522   
523   if (!I.use_empty())
524     SSA.Initialize(I.getType(), I.getName());
525   
526   // Insert a copy of the instruction in each exit block of the loop that is
527   // dominated by the instruction.  Each exit block is known to only be in the
528   // ExitBlocks list once.
529   BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
530   unsigned NumInserted = 0;
531   
532   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
533     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
534     
535     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB))
536       continue;
537     
538     // Insert the code after the last PHI node.
539     BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
540     
541     // If this is the first exit block processed, just move the original
542     // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
543     // the copy.
544     Instruction *New;
545     if (NumInserted++ == 0) {
546       I.moveBefore(InsertPt);
547       New = &I;
548     } else {
549       New = I.clone();
550       if (!I.getName().empty())
551         New->setName(I.getName()+".le");
552       ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
553     }
554     
555     // Now that we have inserted the instruction, inform SSAUpdater.
556     if (!I.use_empty())
557       SSA.AddAvailableValue(ExitBlock, New);
558   }
559   
560   // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
561   if (NumInserted == 0) {
562     CurAST->deleteValue(&I);
563     if (!I.use_empty())
564       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
565     I.eraseFromParent();
566     return;
567   }
568   
569   // Next, rewrite uses of the instruction, inserting PHI nodes as needed.
570   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE; ) {
571     // Grab the use before incrementing the iterator.
572     Use &U = UI.getUse();
573     // Increment the iterator before removing the use from the list.
574     ++UI;
575     SSA.RewriteUseAfterInsertions(U);
576   }
577   
578   // Update CurAST for NewPHIs if I had pointer type.
579   if (I.getType()->isPointerTy())
580     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
581       CurAST->copyValue(&I, NewPHIs[i]);
582   
583   // Finally, remove the instruction from CurAST.  It is no longer in the loop.
584   CurAST->deleteValue(&I);
585 }
586
587 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
588 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
589 ///
590 void LICM::hoist(Instruction &I) {
591   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
592         << I << "\n");
593
594   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
595   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
596
597   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
598   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
599   ++NumHoisted;
600   Changed = true;
601 }
602
603 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
604 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
605 /// guaranteed to execute.
606 ///
607 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
608   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
609   if (Inst.isSafeToSpeculativelyExecute())
610     return true;
611
612   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
613   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
614   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
615
616   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
617   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
618   // is a common case, and can save some work, check it now.
619   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
620     return true;
621
622   // Get the exit blocks for the current loop.
623   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
624   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
625
626   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
627   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
628   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
629     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
630       return false;
631
632   return true;
633 }
634
635 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
636 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
637 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
638 /// which are loop invariant.
639 ///
640 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS) {
641   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
642   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
643   // volatile loads or stores.
644   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
645       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
646     return;
647   
648   assert(!AS.empty() &&
649          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
650   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
651
652   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
653   // conditional.  For example, turning:
654   //
655   //    for () { if (c) *P += 1; }
656   //
657   // into:
658   //
659   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
660   //
661   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
662   // 
663   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
664   // least one is guaranteed to be executed.
665   bool GuaranteedToExecute = false;
666   
667   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
668   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
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   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
674     Value *ASIV = ASI->getValue();
675     PointerMustAliases.insert(ASIV);
676     
677     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
678     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
679     // different sizes.
680     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
681       return;
682     
683     for (Value::use_iterator UI = ASIV->use_begin(), UE = ASIV->use_end();
684          UI != UE; ++UI) {
685       // Ignore instructions that are outside the loop.
686       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
687       if (!Use || !CurLoop->contains(Use))
688         continue;
689       
690       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
691       // it.
692       if (isa<LoadInst>(Use))
693         assert(!cast<LoadInst>(Use)->isVolatile() && "AST broken");
694       else if (isa<StoreInst>(Use)) {
695         assert(!cast<StoreInst>(Use)->isVolatile() && "AST broken");
696         if (Use->getOperand(0) == ASIV) return;
697       } else
698         return; // Not a load or store.
699       
700       if (!GuaranteedToExecute)
701         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
702       
703       LoopUses.push_back(Use);
704     }
705   }
706   
707   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
708   if (!GuaranteedToExecute)
709     return;
710   
711   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
712   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');  
713   Changed = true;
714   ++NumPromoted;
715
716   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
717   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
718   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
719   
720   // It wants to know some value of the same type as what we'll be inserting.
721   Value *SomeValue;
722   if (isa<LoadInst>(LoopUses[0]))
723     SomeValue = LoopUses[0];
724   else
725     SomeValue = cast<StoreInst>(LoopUses[0])->getOperand(0);
726   SSA.Initialize(SomeValue->getType(), SomeValue->getName());
727
728   // First step: bucket up uses of the pointers by the block they occur in.
729   // This is important because we have to handle multiple defs/uses in a block
730   // ourselves: SSAUpdater is purely for cross-block references.
731   // FIXME: Want a TinyVector<Instruction*> since there is usually 0/1 element.
732   DenseMap<BasicBlock*, std::vector<Instruction*> > UsesByBlock;
733   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
734     Instruction *User = LoopUses[i];
735     UsesByBlock[User->getParent()].push_back(User);
736   }
737   
738   // Okay, now we can iterate over all the blocks in the loop with uses,
739   // processing them.  Keep track of which loads are loading a live-in value.
740   SmallVector<LoadInst*, 32> LiveInLoads;
741   DenseMap<Value*, Value*> ReplacedLoads;
742   
743   for (unsigned LoopUse = 0, e = LoopUses.size(); LoopUse != e; ++LoopUse) {
744     Instruction *User = LoopUses[LoopUse];
745     std::vector<Instruction*> &BlockUses = UsesByBlock[User->getParent()];
746     
747     // If this block has already been processed, ignore this repeat use.
748     if (BlockUses.empty()) continue;
749     
750     // Okay, this is the first use in the block.  If this block just has a
751     // single user in it, we can rewrite it trivially.
752     if (BlockUses.size() == 1) {
753       // If it is a store, it is a trivial def of the value in the block.
754       if (isa<StoreInst>(User)) {
755         SSA.AddAvailableValue(User->getParent(),
756                               cast<StoreInst>(User)->getOperand(0));
757       } else {
758         // Otherwise it is a load, queue it to rewrite as a live-in load.
759         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(User));
760       }
761       BlockUses.clear();
762       continue;
763     }
764     
765     // Otherwise, check to see if this block is all loads.  If so, we can queue
766     // them all as live in loads.
767     bool HasStore = false;
768     for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i) {
769       if (isa<StoreInst>(BlockUses[i])) {
770         HasStore = true;
771         break;
772       }
773     }
774     
775     if (!HasStore) {
776       for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i)
777         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(BlockUses[i]));
778       BlockUses.clear();
779       continue;
780     }
781
782     // Otherwise, we have mixed loads and stores (or just a bunch of stores).
783     // Since SSAUpdater is purely for cross-block values, we need to determine
784     // the order of these instructions in the block.  If the first use in the
785     // block is a load, then it uses the live in value.  The last store defines
786     // the live out value.  We handle this by doing a linear scan of the block.
787     BasicBlock *BB = User->getParent();
788     Value *StoredValue = 0;
789     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
790       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
791         // If this is a load from an unrelated pointer, ignore it.
792         if (!PointerMustAliases.count(L->getOperand(0))) continue;
793
794         // If we haven't seen a store yet, this is a live in use, otherwise
795         // use the stored value.
796         if (StoredValue) {
797           L->replaceAllUsesWith(StoredValue);
798           ReplacedLoads[L] = StoredValue;
799         } else {
800           LiveInLoads.push_back(L);
801         }
802         continue;
803       }
804       
805       if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
806         // If this is a store to an unrelated pointer, ignore it.
807         if (!PointerMustAliases.count(S->getOperand(1))) continue;
808
809         // Remember that this is the active value in the block.
810         StoredValue = S->getOperand(0);
811       }
812     }
813     
814     // The last stored value that happened is the live-out for the block.
815     assert(StoredValue && "Already checked that there is a store in block");
816     SSA.AddAvailableValue(BB, StoredValue);
817     BlockUses.clear();
818   }
819   
820   // Now that all the intra-loop values are classified, set up the preheader.
821   // It gets a load of the pointer we're promoting, and it is the live-out value
822   // from the preheader.
823   LoadInst *PreheaderLoad = new LoadInst(SomePtr,SomePtr->getName()+".promoted",
824                                          Preheader->getTerminator());
825   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
826
827   // Now that the preheader is good to go, set up the exit blocks.  Each exit
828   // block gets a store of the live-out values that feed them.  Since we've
829   // already told the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
830   // definition, it is all set and we can start using it.
831   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
832   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
833   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
834     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
835     Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
836     Instruction *InsertPos = ExitBlock->getFirstNonPHI();
837     new StoreInst(LiveInValue, SomePtr, InsertPos);
838   }
839
840   // Okay, now we rewrite all loads that use live-in values in the loop,
841   // inserting PHI nodes as necessary.
842   for (unsigned i = 0, e = LiveInLoads.size(); i != e; ++i) {
843     LoadInst *ALoad = LiveInLoads[i];
844     Value *NewVal = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ALoad->getParent());
845     ALoad->replaceAllUsesWith(NewVal);
846     CurAST->copyValue(ALoad, NewVal);
847     ReplacedLoads[ALoad] = NewVal;
848   }
849   
850   // If the preheader load is itself a pointer, we need to tell alias analysis
851   // about the new pointer we created in the preheader block and about any PHI
852   // nodes that just got inserted.
853   if (PreheaderLoad->getType()->isPointerTy()) {
854     // Copy any value stored to or loaded from a must-alias of the pointer.
855     CurAST->copyValue(SomeValue, PreheaderLoad);
856     
857     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
858       CurAST->copyValue(SomeValue, NewPHIs[i]);
859   }
860   
861   // Now that everything is rewritten, delete the old instructions from the body
862   // of the loop.  They should all be dead now.
863   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
864     Instruction *User = LoopUses[i];
865     
866     // If this is a load that still has uses, then the load must have been added
867     // as a live value in the SSAUpdate data structure for a block (e.g. because
868     // the loaded value was stored later).  In this case, we need to recursively
869     // propagate the updates until we get to the real value.
870     if (!User->use_empty()) {
871       Value *NewVal = ReplacedLoads[User];
872       assert(NewVal && "not a replaced load?");
873       
874       // Propagate down to the ultimate replacee.  The intermediately loads
875       // could theoretically already have been deleted, so we don't want to
876       // dereference the Value*'s.
877       DenseMap<Value*, Value*>::iterator RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
878       while (RLI != ReplacedLoads.end()) {
879         NewVal = RLI->second;
880         RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
881       }
882       
883       User->replaceAllUsesWith(NewVal);
884       CurAST->copyValue(User, NewVal);
885     }
886     
887     CurAST->deleteValue(User);
888     User->eraseFromParent();
889   }
890   
891   // fwew, we're done!
892 }
893
894
895 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
896 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
897   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
898   if (!AST)
899     return;
900
901   AST->copyValue(From, To);
902 }
903
904 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
905 /// set.
906 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
907   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
908   if (!AST)
909     return;
910
911   AST->deleteValue(V);
912 }