Tighten up the AnalysisUsage of lots of passes, primarily to correctly indicate wheth...
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SCCP.cpp
1 //===- SCCP.cpp - Sparse Conditional Constant Propogation -----------------===//
2 //
3 // This file implements sparse conditional constant propogation and merging:
4 //
5 // Specifically, this:
6 //   * Assumes values are constant unless proven otherwise
7 //   * Assumes BasicBlocks are dead unless proven otherwise
8 //   * Proves values to be constant, and replaces them with constants
9 //   . Proves conditional branches constant, and unconditionalizes them
10 //   * Folds multiple identical constants in the constant pool together
11 //
12 // Notice that:
13 //   * This pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good idea
14 //     to to run a DCE pass sometime after running this pass.
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #include "llvm/Transforms/Scalar/ConstantProp.h"
19 #include "llvm/ConstantHandling.h"
20 #include "llvm/Function.h"
21 #include "llvm/BasicBlock.h"
22 #include "llvm/Constants.h"
23 #include "llvm/iPHINode.h"
24 #include "llvm/iMemory.h"
25 #include "llvm/iTerminators.h"
26 #include "llvm/iOther.h"
27 #include "llvm/Pass.h"
28 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
29 #include "Support/STLExtras.h"
30 #include <algorithm>
31 #include <map>
32 #include <set>
33 #include <iostream>
34 using std::cerr;
35
36 // InstVal class - This class represents the different lattice values that an 
37 // instruction may occupy.  It is a simple class with value semantics.
38 //
39 class InstVal {
40   enum { 
41     undefined,           // This instruction has no known value
42     constant,            // This instruction has a constant value
43     // Range,            // This instruction is known to fall within a range
44     overdefined          // This instruction has an unknown value
45   } LatticeValue;        // The current lattice position
46   Constant *ConstantVal; // If Constant value, the current value
47 public:
48   inline InstVal() : LatticeValue(undefined), ConstantVal(0) {}
49
50   // markOverdefined - Return true if this is a new status to be in...
51   inline bool markOverdefined() {
52     if (LatticeValue != overdefined) {
53       LatticeValue = overdefined;
54       return true;
55     }
56     return false;
57   }
58
59   // markConstant - Return true if this is a new status for us...
60   inline bool markConstant(Constant *V) {
61     if (LatticeValue != constant) {
62       LatticeValue = constant;
63       ConstantVal = V;
64       return true;
65     } else {
66       assert(ConstantVal == V && "Marking constant with different value");
67     }
68     return false;
69   }
70
71   inline bool isUndefined()   const { return LatticeValue == undefined; }
72   inline bool isConstant()    const { return LatticeValue == constant; }
73   inline bool isOverdefined() const { return LatticeValue == overdefined; }
74
75   inline Constant *getConstant() const { return ConstantVal; }
76 };
77
78
79
80 //===----------------------------------------------------------------------===//
81 // SCCP Class
82 //
83 // This class does all of the work of Sparse Conditional Constant Propogation.
84 // It's public interface consists of a constructor and a doSCCP() function.
85 //
86 class SCCP : public InstVisitor<SCCP> {
87   Function *M;                           // The function that we are working on
88
89   std::set<BasicBlock*>     BBExecutable;// The basic blocks that are executable
90   std::map<Value*, InstVal> ValueState;  // The state each value is in...
91
92   std::vector<Instruction*> InstWorkList;// The instruction work list
93   std::vector<BasicBlock*>  BBWorkList;  // The BasicBlock work list
94
95   //===--------------------------------------------------------------------===//
96   // The public interface for this class
97   //
98 public:
99
100   // SCCP Ctor - Save the function to operate on...
101   inline SCCP(Function *f) : M(f) {}
102
103   // doSCCP() - Run the Sparse Conditional Constant Propogation algorithm, and 
104   // return true if the function was modified.
105   bool doSCCP();
106
107   //===--------------------------------------------------------------------===//
108   // The implementation of this class
109   //
110 private:
111   friend class InstVisitor<SCCP>;        // Allow callbacks from visitor
112
113   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "constant".  If the value
114   // is not already a constant, add it to the instruction work list so that 
115   // the users of the instruction are updated later.
116   //
117   inline bool markConstant(Instruction *I, Constant *V) {
118     //cerr << "markConstant: " << V << " = " << I;
119     if (ValueState[I].markConstant(V)) {
120       InstWorkList.push_back(I);
121       return true;
122     }
123     return false;
124   }
125
126   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "overdefined". If the
127   // value is not already overdefined, add it to the instruction work list so
128   // that the users of the instruction are updated later.
129   //
130   inline bool markOverdefined(Value *V) {
131     if (ValueState[V].markOverdefined()) {
132       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
133         //cerr << "markOverdefined: " << V;
134         InstWorkList.push_back(I);  // Only instructions go on the work list
135       }
136       return true;
137     }
138     return false;
139   }
140
141   // getValueState - Return the InstVal object that corresponds to the value.
142   // This function is neccesary because not all values should start out in the
143   // underdefined state... Argument's should be overdefined, and
144   // constants should be marked as constants.  If a value is not known to be an
145   // Instruction object, then use this accessor to get its value from the map.
146   //
147   inline InstVal &getValueState(Value *V) {
148     std::map<Value*, InstVal>::iterator I = ValueState.find(V);
149     if (I != ValueState.end()) return I->second;  // Common case, in the map
150       
151     if (Constant *CPV = dyn_cast<Constant>(V)) {  // Constants are constant
152       ValueState[CPV].markConstant(CPV);
153     } else if (isa<Argument>(V)) {                // Arguments are overdefined
154       ValueState[V].markOverdefined();
155     } 
156     // All others are underdefined by default...
157     return ValueState[V];
158   }
159
160   // markExecutable - Mark a basic block as executable, adding it to the BB 
161   // work list if it is not already executable...
162   // 
163   void markExecutable(BasicBlock *BB) {
164     if (BBExecutable.count(BB)) return;
165     //cerr << "Marking BB Executable: " << BB;
166     BBExecutable.insert(BB);   // Basic block is executable!
167     BBWorkList.push_back(BB);  // Add the block to the work list!
168   }
169
170
171   // visit implementations - Something changed in this instruction... Either an 
172   // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
173   // the value type of I to reflect these changes if appropriate.
174   //
175   void visitPHINode(PHINode *I);
176
177   // Terminators
178   void visitReturnInst(ReturnInst *I) { /*does not have an effect*/ }
179   void visitBranchInst(BranchInst *I);
180   void visitSwitchInst(SwitchInst *I);
181
182   void visitUnaryOperator(Instruction *I);
183   void visitCastInst(CastInst *I) { visitUnaryOperator(I); }
184   void visitBinaryOperator(Instruction *I);
185   void visitShiftInst(ShiftInst *I) { visitBinaryOperator(I); }
186
187   // Instructions that cannot be folded away...
188   void visitMemAccessInst (Instruction *I) { markOverdefined(I); }
189   void visitCallInst      (Instruction *I) { markOverdefined(I); }
190   void visitInvokeInst    (Instruction *I) { markOverdefined(I); }
191   void visitAllocationInst(Instruction *I) { markOverdefined(I); }
192   void visitFreeInst      (Instruction *I) { markOverdefined(I); }
193
194   void visitInstruction(Instruction *I) {
195     // If a new instruction is added to LLVM that we don't handle...
196     cerr << "SCCP: Don't know how to handle: " << I;
197     markOverdefined(I);   // Just in case
198   }
199
200   // OperandChangedState - This method is invoked on all of the users of an
201   // instruction that was just changed state somehow....  Based on this
202   // information, we need to update the specified user of this instruction.
203   //
204   void OperandChangedState(User *U);
205 };
206
207
208 //===----------------------------------------------------------------------===//
209 // SCCP Class Implementation
210
211
212 // doSCCP() - Run the Sparse Conditional Constant Propogation algorithm, and 
213 // return true if the function was modified.
214 //
215 bool SCCP::doSCCP() {
216   // Mark the first block of the function as being executable...
217   markExecutable(M->front());
218
219   // Process the work lists until their are empty!
220   while (!BBWorkList.empty() || !InstWorkList.empty()) {
221     // Process the instruction work list...
222     while (!InstWorkList.empty()) {
223       Instruction *I = InstWorkList.back();
224       InstWorkList.pop_back();
225
226       //cerr << "\nPopped off I-WL: " << I;
227
228       
229       // "I" got into the work list because it either made the transition from
230       // bottom to constant, or to Overdefined.
231       //
232       // Update all of the users of this instruction's value...
233       //
234       for_each(I->use_begin(), I->use_end(),
235                bind_obj(this, &SCCP::OperandChangedState));
236     }
237
238     // Process the basic block work list...
239     while (!BBWorkList.empty()) {
240       BasicBlock *BB = BBWorkList.back();
241       BBWorkList.pop_back();
242
243       //cerr << "\nPopped off BBWL: " << BB;
244
245       // If this block only has a single successor, mark it as executable as
246       // well... if not, terminate the do loop.
247       //
248       if (BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1)
249         markExecutable(BB->getTerminator()->getSuccessor(0));
250
251       // Notify all instructions in this basic block that they are newly
252       // executable.
253       visit(BB);
254     }
255   }
256
257 #if 0
258   for (Function::iterator BBI = M->begin(), BBEnd = M->end();
259        BBI != BBEnd; ++BBI)
260     if (!BBExecutable.count(*BBI))
261       cerr << "BasicBlock Dead:" << *BBI;
262 #endif
263
264
265   // Iterate over all of the instructions in a function, replacing them with
266   // constants if we have found them to be of constant values.
267   //
268   bool MadeChanges = false;
269   for (Function::iterator MI = M->begin(), ME = M->end(); MI != ME; ++MI) {
270     BasicBlock *BB = *MI;
271     for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(); BI != BB->end();) {
272       Instruction *Inst = *BI;
273       InstVal &IV = ValueState[Inst];
274       if (IV.isConstant()) {
275         Constant *Const = IV.getConstant();
276         // cerr << "Constant: " << Inst << "  is: " << Const;
277
278         // Replaces all of the uses of a variable with uses of the constant.
279         Inst->replaceAllUsesWith(Const);
280
281         // Remove the operator from the list of definitions...
282         BB->getInstList().remove(BI);
283
284         // The new constant inherits the old name of the operator...
285         if (Inst->hasName() && !Const->hasName())
286           Const->setName(Inst->getName(), M->getSymbolTableSure());
287
288         // Delete the operator now...
289         delete Inst;
290
291         // Hey, we just changed something!
292         MadeChanges = true;
293       } else if (TerminatorInst *TI = dyn_cast<TerminatorInst>(Inst)) {
294         MadeChanges |= ConstantFoldTerminator(BB, BI, TI);
295       }
296
297       ++BI;
298     }
299   }
300
301   // Merge identical constants last: this is important because we may have just
302   // introduced constants that already exist, and we don't want to pollute later
303   // stages with extraneous constants.
304   //
305   return MadeChanges;
306 }
307
308
309 // visit Implementations - Something changed in this instruction... Either an
310 // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
311 // the value type of I to reflect these changes if appropriate.  This method
312 // makes sure to do the following actions:
313 //
314 // 1. If a phi node merges two constants in, and has conflicting value coming
315 //    from different branches, or if the PHI node merges in an overdefined
316 //    value, then the PHI node becomes overdefined.
317 // 2. If a phi node merges only constants in, and they all agree on value, the
318 //    PHI node becomes a constant value equal to that.
319 // 3. If V <- x (op) y && isConstant(x) && isConstant(y) V = Constant
320 // 4. If V <- x (op) y && (isOverdefined(x) || isOverdefined(y)) V = Overdefined
321 // 5. If V <- MEM or V <- CALL or V <- (unknown) then V = Overdefined
322 // 6. If a conditional branch has a value that is constant, make the selected
323 //    destination executable
324 // 7. If a conditional branch has a value that is overdefined, make all
325 //    successors executable.
326 //
327
328 void SCCP::visitPHINode(PHINode *PN) {
329   unsigned NumValues = PN->getNumIncomingValues(), i;
330   InstVal *OperandIV = 0;
331
332   // Look at all of the executable operands of the PHI node.  If any of them
333   // are overdefined, the PHI becomes overdefined as well.  If they are all
334   // constant, and they agree with each other, the PHI becomes the identical
335   // constant.  If they are constant and don't agree, the PHI is overdefined.
336   // If there are no executable operands, the PHI remains undefined.
337   //
338   for (i = 0; i < NumValues; ++i) {
339     if (BBExecutable.count(PN->getIncomingBlock(i))) {
340       InstVal &IV = getValueState(PN->getIncomingValue(i));
341       if (IV.isUndefined()) continue;  // Doesn't influence PHI node.
342       if (IV.isOverdefined()) {   // PHI node becomes overdefined!
343         markOverdefined(PN);
344         return;
345       }
346
347       if (OperandIV == 0) {   // Grab the first value...
348         OperandIV = &IV;
349       } else {                // Another value is being merged in!
350         // There is already a reachable operand.  If we conflict with it,
351         // then the PHI node becomes overdefined.  If we agree with it, we
352         // can continue on.
353
354         // Check to see if there are two different constants merging...
355         if (IV.getConstant() != OperandIV->getConstant()) {
356           // Yes there is.  This means the PHI node is not constant.
357           // You must be overdefined poor PHI.
358           //
359           markOverdefined(PN);         // The PHI node now becomes overdefined
360           return;    // I'm done analyzing you
361         }
362       }
363     }
364   }
365
366   // If we exited the loop, this means that the PHI node only has constant
367   // arguments that agree with each other(and OperandIV is a pointer to one
368   // of their InstVal's) or OperandIV is null because there are no defined
369   // incoming arguments.  If this is the case, the PHI remains undefined.
370   //
371   if (OperandIV) {
372     assert(OperandIV->isConstant() && "Should only be here for constants!");
373     markConstant(PN, OperandIV->getConstant());  // Aquire operand value
374   }
375 }
376
377 void SCCP::visitBranchInst(BranchInst *BI) {
378   if (BI->isUnconditional())
379     return; // Unconditional branches are already handled!
380
381   InstVal &BCValue = getValueState(BI->getCondition());
382   if (BCValue.isOverdefined()) {
383     // Overdefined condition variables mean the branch could go either way.
384     markExecutable(BI->getSuccessor(0));
385     markExecutable(BI->getSuccessor(1));
386   } else if (BCValue.isConstant()) {
387     // Constant condition variables mean the branch can only go a single way.
388     if (BCValue.getConstant() == ConstantBool::True)
389       markExecutable(BI->getSuccessor(0));
390     else
391       markExecutable(BI->getSuccessor(1));
392   }
393 }
394
395 void SCCP::visitSwitchInst(SwitchInst *SI) {
396   InstVal &SCValue = getValueState(SI->getCondition());
397   if (SCValue.isOverdefined()) {  // Overdefined condition?  All dests are exe
398     for(unsigned i = 0, E = SI->getNumSuccessors(); i != E; ++i)
399       markExecutable(SI->getSuccessor(i));
400   } else if (SCValue.isConstant()) {
401     Constant *CPV = SCValue.getConstant();
402     // Make sure to skip the "default value" which isn't a value
403     for (unsigned i = 1, E = SI->getNumSuccessors(); i != E; ++i) {
404       if (SI->getSuccessorValue(i) == CPV) {// Found the right branch...
405         markExecutable(SI->getSuccessor(i));
406         return;
407       }
408     }
409
410     // Constant value not equal to any of the branches... must execute
411     // default branch then...
412     markExecutable(SI->getDefaultDest());
413   }
414 }
415
416 void SCCP::visitUnaryOperator(Instruction *I) {
417   Value *V = I->getOperand(0);
418   InstVal &VState = getValueState(V);
419   if (VState.isOverdefined()) {        // Inherit overdefinedness of operand
420     markOverdefined(I);
421   } else if (VState.isConstant()) {    // Propogate constant value
422     Constant *Result = isa<CastInst>(I)
423       ? ConstantFoldCastInstruction(VState.getConstant(), I->getType())
424       : ConstantFoldUnaryInstruction(I->getOpcode(), VState.getConstant());
425
426     if (Result) {
427       // This instruction constant folds!
428       markConstant(I, Result);
429     } else {
430       markOverdefined(I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
431     }
432   }
433 }
434
435 // Handle BinaryOperators and Shift Instructions...
436 void SCCP::visitBinaryOperator(Instruction *I) {
437   InstVal &V1State = getValueState(I->getOperand(0));
438   InstVal &V2State = getValueState(I->getOperand(1));
439   if (V1State.isOverdefined() || V2State.isOverdefined()) {
440     markOverdefined(I);
441   } else if (V1State.isConstant() && V2State.isConstant()) {
442     Constant *Result = ConstantFoldBinaryInstruction(I->getOpcode(),
443                                                      V1State.getConstant(),
444                                                      V2State.getConstant());
445     if (Result)
446       markConstant(I, Result);      // This instruction constant fold!s
447     else
448       markOverdefined(I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
449   }
450 }
451
452 // OperandChangedState - This method is invoked on all of the users of an
453 // instruction that was just changed state somehow....  Based on this
454 // information, we need to update the specified user of this instruction.
455 //
456 void SCCP::OperandChangedState(User *U) {
457   // Only instructions use other variable values!
458   Instruction *I = cast<Instruction>(U);
459   if (!BBExecutable.count(I->getParent())) return;  // Inst not executable yet!
460
461   visit(I);
462 }
463
464 namespace {
465   // SCCPPass - Use Sparse Conditional Constant Propogation
466   // to prove whether a value is constant and whether blocks are used.
467   //
468   struct SCCPPass : public FunctionPass {
469     inline bool runOnFunction(Function *F) {
470       SCCP S(F);
471       return S.doSCCP();
472     }
473     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
474       // FIXME: SCCP does not preserve the CFG because it folds terminators!
475       //AU.preservesCFG();
476     }
477   };
478 }
479
480 Pass *createSCCPPass() {
481   return new SCCPPass();
482 }