move isBytewiseValue out to ValueTracking.h/cpp
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / MemCpyOptimizer.cpp
1 //===- MemCpyOptimizer.cpp - Optimize use of memcpy and friends -----------===//
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 various transformations related to eliminating memcpy
11 // calls, or transforming sets of stores into memset's.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #define DEBUG_TYPE "memcpyopt"
16 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
17 #include "llvm/GlobalVariable.h"
18 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
19 #include "llvm/Instructions.h"
20 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
21 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
22 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
23 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
24 #include "llvm/Analysis/MemoryDependenceAnalysis.h"
25 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
26 #include "llvm/Support/Debug.h"
27 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
28 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
29 #include "llvm/Target/TargetData.h"
30 #include <list>
31 using namespace llvm;
32
33 STATISTIC(NumMemCpyInstr, "Number of memcpy instructions deleted");
34 STATISTIC(NumMemSetInfer, "Number of memsets inferred");
35 STATISTIC(NumMoveToCpy,   "Number of memmoves converted to memcpy");
36 STATISTIC(NumCpyToSet,    "Number of memcpys converted to memset");
37
38 static int64_t GetOffsetFromIndex(const GetElementPtrInst *GEP, unsigned Idx,
39                                   bool &VariableIdxFound, TargetData &TD) {
40   // Skip over the first indices.
41   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
42   for (unsigned i = 1; i != Idx; ++i, ++GTI)
43     /*skip along*/;
44   
45   // Compute the offset implied by the rest of the indices.
46   int64_t Offset = 0;
47   for (unsigned i = Idx, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
48     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i));
49     if (OpC == 0)
50       return VariableIdxFound = true;
51     if (OpC->isZero()) continue;  // No offset.
52
53     // Handle struct indices, which add their field offset to the pointer.
54     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
55       Offset += TD.getStructLayout(STy)->getElementOffset(OpC->getZExtValue());
56       continue;
57     }
58     
59     // Otherwise, we have a sequential type like an array or vector.  Multiply
60     // the index by the ElementSize.
61     uint64_t Size = TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
62     Offset += Size*OpC->getSExtValue();
63   }
64
65   return Offset;
66 }
67
68 /// IsPointerOffset - Return true if Ptr1 is provably equal to Ptr2 plus a
69 /// constant offset, and return that constant offset.  For example, Ptr1 might
70 /// be &A[42], and Ptr2 might be &A[40].  In this case offset would be -8.
71 static bool IsPointerOffset(Value *Ptr1, Value *Ptr2, int64_t &Offset,
72                             TargetData &TD) {
73   // Right now we handle the case when Ptr1/Ptr2 are both GEPs with an identical
74   // base.  After that base, they may have some number of common (and
75   // potentially variable) indices.  After that they handle some constant
76   // offset, which determines their offset from each other.  At this point, we
77   // handle no other case.
78   GetElementPtrInst *GEP1 = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr1);
79   GetElementPtrInst *GEP2 = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr2);
80   if (!GEP1 || !GEP2 || GEP1->getOperand(0) != GEP2->getOperand(0))
81     return false;
82   
83   // Skip any common indices and track the GEP types.
84   unsigned Idx = 1;
85   for (; Idx != GEP1->getNumOperands() && Idx != GEP2->getNumOperands(); ++Idx)
86     if (GEP1->getOperand(Idx) != GEP2->getOperand(Idx))
87       break;
88
89   bool VariableIdxFound = false;
90   int64_t Offset1 = GetOffsetFromIndex(GEP1, Idx, VariableIdxFound, TD);
91   int64_t Offset2 = GetOffsetFromIndex(GEP2, Idx, VariableIdxFound, TD);
92   if (VariableIdxFound) return false;
93   
94   Offset = Offset2-Offset1;
95   return true;
96 }
97
98
99 /// MemsetRange - Represents a range of memset'd bytes with the ByteVal value.
100 /// This allows us to analyze stores like:
101 ///   store 0 -> P+1
102 ///   store 0 -> P+0
103 ///   store 0 -> P+3
104 ///   store 0 -> P+2
105 /// which sometimes happens with stores to arrays of structs etc.  When we see
106 /// the first store, we make a range [1, 2).  The second store extends the range
107 /// to [0, 2).  The third makes a new range [2, 3).  The fourth store joins the
108 /// two ranges into [0, 3) which is memset'able.
109 namespace {
110 struct MemsetRange {
111   // Start/End - A semi range that describes the span that this range covers.
112   // The range is closed at the start and open at the end: [Start, End).  
113   int64_t Start, End;
114
115   /// StartPtr - The getelementptr instruction that points to the start of the
116   /// range.
117   Value *StartPtr;
118   
119   /// Alignment - The known alignment of the first store.
120   unsigned Alignment;
121   
122   /// TheStores - The actual stores that make up this range.
123   SmallVector<StoreInst*, 16> TheStores;
124   
125   bool isProfitableToUseMemset(const TargetData &TD) const;
126
127 };
128 } // end anon namespace
129
130 bool MemsetRange::isProfitableToUseMemset(const TargetData &TD) const {
131   // If we found more than 8 stores to merge or 64 bytes, use memset.
132   if (TheStores.size() >= 8 || End-Start >= 64) return true;
133   
134   // Assume that the code generator is capable of merging pairs of stores
135   // together if it wants to.
136   if (TheStores.size() <= 2) return false;
137   
138   // If we have fewer than 8 stores, it can still be worthwhile to do this.
139   // For example, merging 4 i8 stores into an i32 store is useful almost always.
140   // However, merging 2 32-bit stores isn't useful on a 32-bit architecture (the
141   // memset will be split into 2 32-bit stores anyway) and doing so can
142   // pessimize the llvm optimizer.
143   //
144   // Since we don't have perfect knowledge here, make some assumptions: assume
145   // the maximum GPR width is the same size as the pointer size and assume that
146   // this width can be stored.  If so, check to see whether we will end up
147   // actually reducing the number of stores used.
148   unsigned Bytes = unsigned(End-Start);
149   unsigned NumPointerStores = Bytes/TD.getPointerSize();
150   
151   // Assume the remaining bytes if any are done a byte at a time.
152   unsigned NumByteStores = Bytes - NumPointerStores*TD.getPointerSize();
153   
154   // If we will reduce the # stores (according to this heuristic), do the
155   // transformation.  This encourages merging 4 x i8 -> i32 and 2 x i16 -> i32
156   // etc.
157   return TheStores.size() > NumPointerStores+NumByteStores;
158 }    
159
160
161 namespace {
162 class MemsetRanges {
163   /// Ranges - A sorted list of the memset ranges.  We use std::list here
164   /// because each element is relatively large and expensive to copy.
165   std::list<MemsetRange> Ranges;
166   typedef std::list<MemsetRange>::iterator range_iterator;
167   TargetData &TD;
168 public:
169   MemsetRanges(TargetData &td) : TD(td) {}
170   
171   typedef std::list<MemsetRange>::const_iterator const_iterator;
172   const_iterator begin() const { return Ranges.begin(); }
173   const_iterator end() const { return Ranges.end(); }
174   bool empty() const { return Ranges.empty(); }
175   
176   void addStore(int64_t OffsetFromFirst, StoreInst *SI);
177 };
178   
179 } // end anon namespace
180
181
182 /// addStore - Add a new store to the MemsetRanges data structure.  This adds a
183 /// new range for the specified store at the specified offset, merging into
184 /// existing ranges as appropriate.
185 void MemsetRanges::addStore(int64_t Start, StoreInst *SI) {
186   int64_t End = Start+TD.getTypeStoreSize(SI->getOperand(0)->getType());
187   
188   // Do a linear search of the ranges to see if this can be joined and/or to
189   // find the insertion point in the list.  We keep the ranges sorted for
190   // simplicity here.  This is a linear search of a linked list, which is ugly,
191   // however the number of ranges is limited, so this won't get crazy slow.
192   range_iterator I = Ranges.begin(), E = Ranges.end();
193   
194   while (I != E && Start > I->End)
195     ++I;
196   
197   // We now know that I == E, in which case we didn't find anything to merge
198   // with, or that Start <= I->End.  If End < I->Start or I == E, then we need
199   // to insert a new range.  Handle this now.
200   if (I == E || End < I->Start) {
201     MemsetRange &R = *Ranges.insert(I, MemsetRange());
202     R.Start        = Start;
203     R.End          = End;
204     R.StartPtr     = SI->getPointerOperand();
205     R.Alignment    = SI->getAlignment();
206     R.TheStores.push_back(SI);
207     return;
208   }
209
210   // This store overlaps with I, add it.
211   I->TheStores.push_back(SI);
212   
213   // At this point, we may have an interval that completely contains our store.
214   // If so, just add it to the interval and return.
215   if (I->Start <= Start && I->End >= End)
216     return;
217   
218   // Now we know that Start <= I->End and End >= I->Start so the range overlaps
219   // but is not entirely contained within the range.
220   
221   // See if the range extends the start of the range.  In this case, it couldn't
222   // possibly cause it to join the prior range, because otherwise we would have
223   // stopped on *it*.
224   if (Start < I->Start) {
225     I->Start = Start;
226     I->StartPtr = SI->getPointerOperand();
227     I->Alignment = SI->getAlignment();
228   }
229     
230   // Now we know that Start <= I->End and Start >= I->Start (so the startpoint
231   // is in or right at the end of I), and that End >= I->Start.  Extend I out to
232   // End.
233   if (End > I->End) {
234     I->End = End;
235     range_iterator NextI = I;
236     while (++NextI != E && End >= NextI->Start) {
237       // Merge the range in.
238       I->TheStores.append(NextI->TheStores.begin(), NextI->TheStores.end());
239       if (NextI->End > I->End)
240         I->End = NextI->End;
241       Ranges.erase(NextI);
242       NextI = I;
243     }
244   }
245 }
246
247 //===----------------------------------------------------------------------===//
248 //                         MemCpyOpt Pass
249 //===----------------------------------------------------------------------===//
250
251 namespace {
252   class MemCpyOpt : public FunctionPass {
253     MemoryDependenceAnalysis *MD;
254     bool runOnFunction(Function &F);
255   public:
256     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
257     MemCpyOpt() : FunctionPass(ID) {
258       initializeMemCpyOptPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
259       MD = 0;
260     }
261
262   private:
263     // This transformation requires dominator postdominator info
264     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
265       AU.setPreservesCFG();
266       AU.addRequired<DominatorTree>();
267       AU.addRequired<MemoryDependenceAnalysis>();
268       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
269       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
270       AU.addPreserved<MemoryDependenceAnalysis>();
271     }
272   
273     // Helper fuctions
274     bool processStore(StoreInst *SI, BasicBlock::iterator &BBI);
275     bool processMemCpy(MemCpyInst *M);
276     bool processMemMove(MemMoveInst *M);
277     bool performCallSlotOptzn(Instruction *cpy, Value *cpyDst, Value *cpySrc,
278                               uint64_t cpyLen, CallInst *C);
279     bool processMemCpyMemCpyDependence(MemCpyInst *M, MemCpyInst *MDep,
280                                        uint64_t MSize);
281     bool processByValArgument(CallSite CS, unsigned ArgNo);
282     bool iterateOnFunction(Function &F);
283   };
284   
285   char MemCpyOpt::ID = 0;
286 }
287
288 // createMemCpyOptPass - The public interface to this file...
289 FunctionPass *llvm::createMemCpyOptPass() { return new MemCpyOpt(); }
290
291 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MemCpyOpt, "memcpyopt", "MemCpy Optimization",
292                       false, false)
293 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
294 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MemoryDependenceAnalysis)
295 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
296 INITIALIZE_PASS_END(MemCpyOpt, "memcpyopt", "MemCpy Optimization",
297                     false, false)
298
299 /// processStore - When GVN is scanning forward over instructions, we look for
300 /// some other patterns to fold away.  In particular, this looks for stores to
301 /// neighboring locations of memory.  If it sees enough consequtive ones
302 /// (currently 4) it attempts to merge them together into a memcpy/memset.
303 bool MemCpyOpt::processStore(StoreInst *SI, BasicBlock::iterator &BBI) {
304   if (SI->isVolatile()) return false;
305   
306   TargetData *TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
307   if (!TD) return false;
308
309   // Detect cases where we're performing call slot forwarding, but
310   // happen to be using a load-store pair to implement it, rather than
311   // a memcpy.
312   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(SI->getOperand(0))) {
313     if (!LI->isVolatile() && LI->hasOneUse()) {
314       MemDepResult dep = MD->getDependency(LI);
315       CallInst *C = 0;
316       if (dep.isClobber() && !isa<MemCpyInst>(dep.getInst()))
317         C = dyn_cast<CallInst>(dep.getInst());
318       
319       if (C) {
320         bool changed = performCallSlotOptzn(LI,
321                         SI->getPointerOperand()->stripPointerCasts(), 
322                         LI->getPointerOperand()->stripPointerCasts(),
323                         TD->getTypeStoreSize(SI->getOperand(0)->getType()), C);
324         if (changed) {
325           MD->removeInstruction(SI);
326           SI->eraseFromParent();
327           LI->eraseFromParent();
328           ++NumMemCpyInstr;
329           return true;
330         }
331       }
332     }
333   }
334   
335   LLVMContext &Context = SI->getContext();
336
337   // There are two cases that are interesting for this code to handle: memcpy
338   // and memset.  Right now we only handle memset.
339   
340   // Ensure that the value being stored is something that can be memset'able a
341   // byte at a time like "0" or "-1" or any width, as well as things like
342   // 0xA0A0A0A0 and 0.0.
343   Value *ByteVal = isBytewiseValue(SI->getOperand(0));
344   if (!ByteVal)
345     return false;
346
347   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
348   Module *M = SI->getParent()->getParent()->getParent();
349
350   // Okay, so we now have a single store that can be splatable.  Scan to find
351   // all subsequent stores of the same value to offset from the same pointer.
352   // Join these together into ranges, so we can decide whether contiguous blocks
353   // are stored.
354   MemsetRanges Ranges(*TD);
355   
356   Value *StartPtr = SI->getPointerOperand();
357   
358   BasicBlock::iterator BI = SI;
359   for (++BI; !isa<TerminatorInst>(BI); ++BI) {
360     if (isa<CallInst>(BI) || isa<InvokeInst>(BI)) { 
361       // If the call is readnone, ignore it, otherwise bail out.  We don't even
362       // allow readonly here because we don't want something like:
363       // A[1] = 2; strlen(A); A[2] = 2; -> memcpy(A, ...); strlen(A).
364       if (AA.getModRefBehavior(CallSite(BI)) ==
365             AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
366         continue;
367       
368       // TODO: If this is a memset, try to join it in.
369       
370       break;
371     } else if (isa<VAArgInst>(BI) || isa<LoadInst>(BI))
372       break;
373
374     // If this is a non-store instruction it is fine, ignore it.
375     StoreInst *NextStore = dyn_cast<StoreInst>(BI);
376     if (NextStore == 0) continue;
377     
378     // If this is a store, see if we can merge it in.
379     if (NextStore->isVolatile()) break;
380     
381     // Check to see if this stored value is of the same byte-splattable value.
382     if (ByteVal != isBytewiseValue(NextStore->getOperand(0)))
383       break;
384
385     // Check to see if this store is to a constant offset from the start ptr.
386     int64_t Offset;
387     if (!IsPointerOffset(StartPtr, NextStore->getPointerOperand(), Offset, *TD))
388       break;
389
390     Ranges.addStore(Offset, NextStore);
391   }
392
393   // If we have no ranges, then we just had a single store with nothing that
394   // could be merged in.  This is a very common case of course.
395   if (Ranges.empty())
396     return false;
397   
398   // If we had at least one store that could be merged in, add the starting
399   // store as well.  We try to avoid this unless there is at least something
400   // interesting as a small compile-time optimization.
401   Ranges.addStore(0, SI);
402   
403   
404   // Now that we have full information about ranges, loop over the ranges and
405   // emit memset's for anything big enough to be worthwhile.
406   bool MadeChange = false;
407   for (MemsetRanges::const_iterator I = Ranges.begin(), E = Ranges.end();
408        I != E; ++I) {
409     const MemsetRange &Range = *I;
410
411     if (Range.TheStores.size() == 1) continue;
412     
413     // If it is profitable to lower this range to memset, do so now.
414     if (!Range.isProfitableToUseMemset(*TD))
415       continue;
416     
417     // Otherwise, we do want to transform this!  Create a new memset.  We put
418     // the memset right before the first instruction that isn't part of this
419     // memset block.  This ensure that the memset is dominated by any addressing
420     // instruction needed by the start of the block.
421     BasicBlock::iterator InsertPt = BI;
422
423     // Get the starting pointer of the block.
424     StartPtr = Range.StartPtr;
425
426     // Determine alignment
427     unsigned Alignment = Range.Alignment;
428     if (Alignment == 0) {
429       const Type *EltType = 
430          cast<PointerType>(StartPtr->getType())->getElementType();
431       Alignment = TD->getABITypeAlignment(EltType);
432     }
433
434     // Cast the start ptr to be i8* as memset requires.
435     const PointerType* StartPTy = cast<PointerType>(StartPtr->getType());
436     const PointerType *i8Ptr = Type::getInt8PtrTy(Context,
437                                                   StartPTy->getAddressSpace());
438     if (StartPTy!= i8Ptr)
439       StartPtr = new BitCastInst(StartPtr, i8Ptr, StartPtr->getName(),
440                                  InsertPt);
441
442     Value *Ops[] = {
443       StartPtr, ByteVal,   // Start, value
444       // size
445       ConstantInt::get(Type::getInt64Ty(Context), Range.End-Range.Start),
446       // align
447       ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Context), Alignment),
448       // volatile
449       ConstantInt::getFalse(Context),
450     };
451     const Type *Tys[] = { Ops[0]->getType(), Ops[2]->getType() };
452
453     Function *MemSetF = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::memset, Tys, 2);
454
455     Value *C = CallInst::Create(MemSetF, Ops, Ops+5, "", InsertPt);
456     DEBUG(dbgs() << "Replace stores:\n";
457           for (unsigned i = 0, e = Range.TheStores.size(); i != e; ++i)
458             dbgs() << *Range.TheStores[i] << '\n';
459           dbgs() << "With: " << *C << '\n'); (void)C;
460   
461     // Don't invalidate the iterator
462     BBI = BI;
463   
464     // Zap all the stores.
465     for (SmallVector<StoreInst*, 16>::const_iterator
466          SI = Range.TheStores.begin(),
467          SE = Range.TheStores.end(); SI != SE; ++SI)
468       (*SI)->eraseFromParent();
469     ++NumMemSetInfer;
470     MadeChange = true;
471   }
472   
473   return MadeChange;
474 }
475
476
477 /// performCallSlotOptzn - takes a memcpy and a call that it depends on,
478 /// and checks for the possibility of a call slot optimization by having
479 /// the call write its result directly into the destination of the memcpy.
480 bool MemCpyOpt::performCallSlotOptzn(Instruction *cpy,
481                                      Value *cpyDest, Value *cpySrc,
482                                      uint64_t cpyLen, CallInst *C) {
483   // The general transformation to keep in mind is
484   //
485   //   call @func(..., src, ...)
486   //   memcpy(dest, src, ...)
487   //
488   // ->
489   //
490   //   memcpy(dest, src, ...)
491   //   call @func(..., dest, ...)
492   //
493   // Since moving the memcpy is technically awkward, we additionally check that
494   // src only holds uninitialized values at the moment of the call, meaning that
495   // the memcpy can be discarded rather than moved.
496
497   // Deliberately get the source and destination with bitcasts stripped away,
498   // because we'll need to do type comparisons based on the underlying type.
499   CallSite CS(C);
500
501   // Require that src be an alloca.  This simplifies the reasoning considerably.
502   AllocaInst *srcAlloca = dyn_cast<AllocaInst>(cpySrc);
503   if (!srcAlloca)
504     return false;
505
506   // Check that all of src is copied to dest.
507   TargetData *TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
508   if (!TD) return false;
509
510   ConstantInt *srcArraySize = dyn_cast<ConstantInt>(srcAlloca->getArraySize());
511   if (!srcArraySize)
512     return false;
513
514   uint64_t srcSize = TD->getTypeAllocSize(srcAlloca->getAllocatedType()) *
515     srcArraySize->getZExtValue();
516
517   if (cpyLen < srcSize)
518     return false;
519
520   // Check that accessing the first srcSize bytes of dest will not cause a
521   // trap.  Otherwise the transform is invalid since it might cause a trap
522   // to occur earlier than it otherwise would.
523   if (AllocaInst *A = dyn_cast<AllocaInst>(cpyDest)) {
524     // The destination is an alloca.  Check it is larger than srcSize.
525     ConstantInt *destArraySize = dyn_cast<ConstantInt>(A->getArraySize());
526     if (!destArraySize)
527       return false;
528
529     uint64_t destSize = TD->getTypeAllocSize(A->getAllocatedType()) *
530       destArraySize->getZExtValue();
531
532     if (destSize < srcSize)
533       return false;
534   } else if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(cpyDest)) {
535     // If the destination is an sret parameter then only accesses that are
536     // outside of the returned struct type can trap.
537     if (!A->hasStructRetAttr())
538       return false;
539
540     const Type *StructTy = cast<PointerType>(A->getType())->getElementType();
541     uint64_t destSize = TD->getTypeAllocSize(StructTy);
542
543     if (destSize < srcSize)
544       return false;
545   } else {
546     return false;
547   }
548
549   // Check that src is not accessed except via the call and the memcpy.  This
550   // guarantees that it holds only undefined values when passed in (so the final
551   // memcpy can be dropped), that it is not read or written between the call and
552   // the memcpy, and that writing beyond the end of it is undefined.
553   SmallVector<User*, 8> srcUseList(srcAlloca->use_begin(),
554                                    srcAlloca->use_end());
555   while (!srcUseList.empty()) {
556     User *UI = srcUseList.pop_back_val();
557
558     if (isa<BitCastInst>(UI)) {
559       for (User::use_iterator I = UI->use_begin(), E = UI->use_end();
560            I != E; ++I)
561         srcUseList.push_back(*I);
562     } else if (GetElementPtrInst *G = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
563       if (G->hasAllZeroIndices())
564         for (User::use_iterator I = UI->use_begin(), E = UI->use_end();
565              I != E; ++I)
566           srcUseList.push_back(*I);
567       else
568         return false;
569     } else if (UI != C && UI != cpy) {
570       return false;
571     }
572   }
573
574   // Since we're changing the parameter to the callsite, we need to make sure
575   // that what would be the new parameter dominates the callsite.
576   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
577   if (Instruction *cpyDestInst = dyn_cast<Instruction>(cpyDest))
578     if (!DT.dominates(cpyDestInst, C))
579       return false;
580
581   // In addition to knowing that the call does not access src in some
582   // unexpected manner, for example via a global, which we deduce from
583   // the use analysis, we also need to know that it does not sneakily
584   // access dest.  We rely on AA to figure this out for us.
585   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
586   if (AA.getModRefInfo(C, cpyDest, srcSize) !=
587       AliasAnalysis::NoModRef)
588     return false;
589
590   // All the checks have passed, so do the transformation.
591   bool changedArgument = false;
592   for (unsigned i = 0; i < CS.arg_size(); ++i)
593     if (CS.getArgument(i)->stripPointerCasts() == cpySrc) {
594       if (cpySrc->getType() != cpyDest->getType())
595         cpyDest = CastInst::CreatePointerCast(cpyDest, cpySrc->getType(),
596                                               cpyDest->getName(), C);
597       changedArgument = true;
598       if (CS.getArgument(i)->getType() == cpyDest->getType())
599         CS.setArgument(i, cpyDest);
600       else
601         CS.setArgument(i, CastInst::CreatePointerCast(cpyDest, 
602                           CS.getArgument(i)->getType(), cpyDest->getName(), C));
603     }
604
605   if (!changedArgument)
606     return false;
607
608   // Drop any cached information about the call, because we may have changed
609   // its dependence information by changing its parameter.
610   MD->removeInstruction(C);
611
612   // Remove the memcpy.
613   MD->removeInstruction(cpy);
614   ++NumMemCpyInstr;
615
616   return true;
617 }
618
619 /// processMemCpyMemCpyDependence - We've found that the (upward scanning)
620 /// memory dependence of memcpy 'M' is the memcpy 'MDep'.  Try to simplify M to
621 /// copy from MDep's input if we can.  MSize is the size of M's copy.
622 /// 
623 bool MemCpyOpt::processMemCpyMemCpyDependence(MemCpyInst *M, MemCpyInst *MDep,
624                                               uint64_t MSize) {
625   // We can only transforms memcpy's where the dest of one is the source of the
626   // other.
627   if (M->getSource() != MDep->getDest() || MDep->isVolatile())
628     return false;
629   
630   // If dep instruction is reading from our current input, then it is a noop
631   // transfer and substituting the input won't change this instruction.  Just
632   // ignore the input and let someone else zap MDep.  This handles cases like:
633   //    memcpy(a <- a)
634   //    memcpy(b <- a)
635   if (M->getSource() == MDep->getSource())
636     return false;
637   
638   // Second, the length of the memcpy's must be the same, or the preceeding one
639   // must be larger than the following one.
640   ConstantInt *C1 = dyn_cast<ConstantInt>(MDep->getLength());
641   if (!C1) return false;
642   
643   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
644
645   // Verify that the copied-from memory doesn't change in between the two
646   // transfers.  For example, in:
647   //    memcpy(a <- b)
648   //    *b = 42;
649   //    memcpy(c <- a)
650   // It would be invalid to transform the second memcpy into memcpy(c <- b).
651   //
652   // TODO: If the code between M and MDep is transparent to the destination "c",
653   // then we could still perform the xform by moving M up to the first memcpy.
654   //
655   // NOTE: This is conservative, it will stop on any read from the source loc,
656   // not just the defining memcpy.
657   MemDepResult SourceDep =
658     MD->getPointerDependencyFrom(AA.getLocationForSource(MDep),
659                                  false, M, M->getParent());
660   if (!SourceDep.isClobber() || SourceDep.getInst() != MDep)
661     return false;
662   
663   // If the dest of the second might alias the source of the first, then the
664   // source and dest might overlap.  We still want to eliminate the intermediate
665   // value, but we have to generate a memmove instead of memcpy.
666   Intrinsic::ID ResultFn = Intrinsic::memcpy;
667   if (AA.alias(AA.getLocationForDest(M), AA.getLocationForSource(MDep)) !=
668       AliasAnalysis::NoAlias)
669     ResultFn = Intrinsic::memmove;
670   
671   // If all checks passed, then we can transform M.
672   const Type *ArgTys[3] = {
673     M->getRawDest()->getType(),
674     MDep->getRawSource()->getType(),
675     M->getLength()->getType()
676   };
677   Function *MemCpyFun =
678     Intrinsic::getDeclaration(MDep->getParent()->getParent()->getParent(),
679                               ResultFn, ArgTys, 3);
680   
681   // Make sure to use the lesser of the alignment of the source and the dest
682   // since we're changing where we're reading from, but don't want to increase
683   // the alignment past what can be read from or written to.
684   // TODO: Is this worth it if we're creating a less aligned memcpy? For
685   // example we could be moving from movaps -> movq on x86.
686   unsigned Align = std::min(MDep->getAlignment(), M->getAlignment());
687   Value *Args[5] = {
688     M->getRawDest(),
689     MDep->getRawSource(), 
690     M->getLength(),
691     ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(MemCpyFun->getContext()), Align), 
692     M->getVolatileCst()
693   };
694   CallInst::Create(MemCpyFun, Args, Args+5, "", M);
695
696   // Remove the instruction we're replacing.
697   MD->removeInstruction(M);
698   M->eraseFromParent();
699   ++NumMemCpyInstr;
700   return true;
701 }
702
703
704 /// processMemCpy - perform simplification of memcpy's.  If we have memcpy A
705 /// which copies X to Y, and memcpy B which copies Y to Z, then we can rewrite
706 /// B to be a memcpy from X to Z (or potentially a memmove, depending on
707 /// circumstances). This allows later passes to remove the first memcpy
708 /// altogether.
709 bool MemCpyOpt::processMemCpy(MemCpyInst *M) {
710   // We can only optimize statically-sized memcpy's that are non-volatile.
711   ConstantInt *CopySize = dyn_cast<ConstantInt>(M->getLength());
712   if (CopySize == 0 || M->isVolatile()) return false;
713
714   // If the source and destination of the memcpy are the same, then zap it.
715   if (M->getSource() == M->getDest()) {
716     MD->removeInstruction(M);
717     M->eraseFromParent();
718     return false;
719   }
720
721   // If copying from a constant, try to turn the memcpy into a memset.
722   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(M->getSource()))
723     if (GV->isConstant() && GV->hasDefinitiveInitializer())
724       if (Value *ByteVal = isBytewiseValue(GV->getInitializer())) {
725         Value *Ops[] = {
726           M->getRawDest(), ByteVal,               // Start, value
727           CopySize,                               // Size
728           M->getAlignmentCst(),                   // Alignment
729           ConstantInt::getFalse(M->getContext()), // volatile
730         };
731         const Type *Tys[] = { Ops[0]->getType(), Ops[2]->getType() };
732         Module *Mod = M->getParent()->getParent()->getParent();
733         Function *MemSetF = Intrinsic::getDeclaration(Mod, Intrinsic::memset,
734                                                       Tys, 2);
735         CallInst::Create(MemSetF, Ops, Ops+5, "", M);
736         MD->removeInstruction(M);
737         M->eraseFromParent();
738         ++NumCpyToSet;
739         return true;
740       }
741
742   // The are two possible optimizations we can do for memcpy:
743   //   a) memcpy-memcpy xform which exposes redundance for DSE.
744   //   b) call-memcpy xform for return slot optimization.
745   MemDepResult DepInfo = MD->getDependency(M);
746   if (!DepInfo.isClobber())
747     return false;
748   
749   if (MemCpyInst *MDep = dyn_cast<MemCpyInst>(DepInfo.getInst()))
750     return processMemCpyMemCpyDependence(M, MDep, CopySize->getZExtValue());
751     
752   if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(DepInfo.getInst())) {
753     if (performCallSlotOptzn(M, M->getDest(), M->getSource(),
754                              CopySize->getZExtValue(), C)) {
755       M->eraseFromParent();
756       return true;
757     }
758   }
759   return false;
760 }
761
762 /// processMemMove - Transforms memmove calls to memcpy calls when the src/dst
763 /// are guaranteed not to alias.
764 bool MemCpyOpt::processMemMove(MemMoveInst *M) {
765   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
766
767   // See if the pointers alias.
768   if (AA.alias(AA.getLocationForDest(M),
769                AA.getLocationForSource(M)) !=
770       AliasAnalysis::NoAlias)
771     return false;
772   
773   DEBUG(dbgs() << "MemCpyOpt: Optimizing memmove -> memcpy: " << *M << "\n");
774   
775   // If not, then we know we can transform this.
776   Module *Mod = M->getParent()->getParent()->getParent();
777   const Type *ArgTys[3] = { M->getRawDest()->getType(),
778                             M->getRawSource()->getType(),
779                             M->getLength()->getType() };
780   M->setCalledFunction(Intrinsic::getDeclaration(Mod, Intrinsic::memcpy,
781                                                  ArgTys, 3));
782
783   // MemDep may have over conservative information about this instruction, just
784   // conservatively flush it from the cache.
785   MD->removeInstruction(M);
786
787   ++NumMoveToCpy;
788   return true;
789 }
790   
791 /// processByValArgument - This is called on every byval argument in call sites.
792 bool MemCpyOpt::processByValArgument(CallSite CS, unsigned ArgNo) {
793   TargetData *TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
794   if (!TD) return false;
795
796   // Find out what feeds this byval argument.
797   Value *ByValArg = CS.getArgument(ArgNo);
798   const Type *ByValTy =cast<PointerType>(ByValArg->getType())->getElementType();
799   uint64_t ByValSize = TD->getTypeAllocSize(ByValTy);
800   MemDepResult DepInfo =
801     MD->getPointerDependencyFrom(AliasAnalysis::Location(ByValArg, ByValSize),
802                                  true, CS.getInstruction(),
803                                  CS.getInstruction()->getParent());
804   if (!DepInfo.isClobber())
805     return false;
806
807   // If the byval argument isn't fed by a memcpy, ignore it.  If it is fed by
808   // a memcpy, see if we can byval from the source of the memcpy instead of the
809   // result.
810   MemCpyInst *MDep = dyn_cast<MemCpyInst>(DepInfo.getInst());
811   if (MDep == 0 || MDep->isVolatile() ||
812       ByValArg->stripPointerCasts() != MDep->getDest())
813     return false;
814   
815   // The length of the memcpy must be larger or equal to the size of the byval.
816   ConstantInt *C1 = dyn_cast<ConstantInt>(MDep->getLength());
817   if (C1 == 0 || C1->getValue().getZExtValue() < ByValSize)
818     return false;
819
820   // Get the alignment of the byval.  If it is greater than the memcpy, then we
821   // can't do the substitution.  If the call doesn't specify the alignment, then
822   // it is some target specific value that we can't know.
823   unsigned ByValAlign = CS.getParamAlignment(ArgNo+1);
824   if (ByValAlign == 0 || MDep->getAlignment() < ByValAlign)
825     return false;  
826   
827   // Verify that the copied-from memory doesn't change in between the memcpy and
828   // the byval call.
829   //    memcpy(a <- b)
830   //    *b = 42;
831   //    foo(*a)
832   // It would be invalid to transform the second memcpy into foo(*b).
833   //
834   // NOTE: This is conservative, it will stop on any read from the source loc,
835   // not just the defining memcpy.
836   MemDepResult SourceDep =
837     MD->getPointerDependencyFrom(AliasAnalysis::getLocationForSource(MDep),
838                                  false, CS.getInstruction(), MDep->getParent());
839   if (!SourceDep.isClobber() || SourceDep.getInst() != MDep)
840     return false;
841   
842   Value *TmpCast = MDep->getSource();
843   if (MDep->getSource()->getType() != ByValArg->getType())
844     TmpCast = new BitCastInst(MDep->getSource(), ByValArg->getType(),
845                               "tmpcast", CS.getInstruction());
846   
847   DEBUG(dbgs() << "MemCpyOpt: Forwarding memcpy to byval:\n"
848                << "  " << *MDep << "\n"
849                << "  " << *CS.getInstruction() << "\n");
850   
851   // Otherwise we're good!  Update the byval argument.
852   CS.setArgument(ArgNo, TmpCast);
853   ++NumMemCpyInstr;
854   return true;
855 }
856
857 /// iterateOnFunction - Executes one iteration of MemCpyOpt.
858 bool MemCpyOpt::iterateOnFunction(Function &F) {
859   bool MadeChange = false;
860
861   // Walk all instruction in the function.
862   for (Function::iterator BB = F.begin(), BBE = F.end(); BB != BBE; ++BB) {
863     for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(), BE = BB->end(); BI != BE;) {
864       // Avoid invalidating the iterator.
865       Instruction *I = BI++;
866       
867       bool RepeatInstruction = false;
868       
869       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
870         MadeChange |= processStore(SI, BI);
871       else if (MemCpyInst *M = dyn_cast<MemCpyInst>(I)) {
872         RepeatInstruction = processMemCpy(M);
873       } else if (MemMoveInst *M = dyn_cast<MemMoveInst>(I)) {
874         RepeatInstruction = processMemMove(M);
875       } else if (CallSite CS = (Value*)I) {
876         for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
877           if (CS.paramHasAttr(i+1, Attribute::ByVal))
878             MadeChange |= processByValArgument(CS, i);
879       }
880
881       // Reprocess the instruction if desired.
882       if (RepeatInstruction) {
883         --BI;
884         MadeChange = true;
885       }
886     }
887   }
888   
889   return MadeChange;
890 }
891
892 // MemCpyOpt::runOnFunction - This is the main transformation entry point for a
893 // function.
894 //
895 bool MemCpyOpt::runOnFunction(Function &F) {
896   bool MadeChange = false;
897   MD = &getAnalysis<MemoryDependenceAnalysis>();
898   while (1) {
899     if (!iterateOnFunction(F))
900       break;
901     MadeChange = true;
902   }
903   
904   MD = 0;
905   return MadeChange;
906 }