3c814defe8a3256740a7a7b250029fe7bd6691d8
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SROA.cpp
1 //===- SROA.cpp - Scalar Replacement Of Aggregates ------------------------===//
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 /// \file
10 /// This transformation implements the well known scalar replacement of
11 /// aggregates transformation. It tries to identify promotable elements of an
12 /// aggregate alloca, and promote them to registers. It will also try to
13 /// convert uses of an element (or set of elements) of an alloca into a vector
14 /// or bitfield-style integer scalar if appropriate.
15 ///
16 /// It works to do this with minimal slicing of the alloca so that regions
17 /// which are merely transferred in and out of external memory remain unchanged
18 /// and are not decomposed to scalar code.
19 ///
20 /// Because this also performs alloca promotion, it can be thought of as also
21 /// serving the purpose of SSA formation. The algorithm iterates on the
22 /// function until all opportunities for promotion have been realized.
23 ///
24 //===----------------------------------------------------------------------===//
25
26 #define DEBUG_TYPE "sroa"
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/Constants.h"
29 #include "llvm/DIBuilder.h"
30 #include "llvm/DebugInfo.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/GlobalVariable.h"
34 #include "llvm/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Instructions.h"
36 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
37 #include "llvm/LLVMContext.h"
38 #include "llvm/Module.h"
39 #include "llvm/Operator.h"
40 #include "llvm/Pass.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
45 #include "llvm/ADT/TinyPtrVector.h"
46 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
47 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
48 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
49 #include "llvm/Support/CallSite.h"
50 #include "llvm/Support/Debug.h"
51 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
52 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
53 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
54 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
55 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
56 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
57 #include "llvm/Target/TargetData.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
61 using namespace llvm;
62
63 STATISTIC(NumAllocasAnalyzed, "Number of allocas analyzed for replacement");
64 STATISTIC(NumNewAllocas,      "Number of new, smaller allocas introduced");
65 STATISTIC(NumPromoted,        "Number of allocas promoted to SSA values");
66 STATISTIC(NumLoadsSpeculated, "Number of loads speculated to allow promotion");
67 STATISTIC(NumDeleted,         "Number of instructions deleted");
68 STATISTIC(NumVectorized,      "Number of vectorized aggregates");
69
70 namespace {
71 /// \brief Alloca partitioning representation.
72 ///
73 /// This class represents a partitioning of an alloca into slices, and
74 /// information about the nature of uses of each slice of the alloca. The goal
75 /// is that this information is sufficient to decide if and how to split the
76 /// alloca apart and replace slices with scalars. It is also intended that this
77 /// structure can capture the relevant information needed both due decide about
78 /// and to enact these transformations.
79 class AllocaPartitioning {
80 public:
81   /// \brief A common base class for representing a half-open byte range.
82   struct ByteRange {
83     /// \brief The beginning offset of the range.
84     uint64_t BeginOffset;
85
86     /// \brief The ending offset, not included in the range.
87     uint64_t EndOffset;
88
89     ByteRange() : BeginOffset(), EndOffset() {}
90     ByteRange(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset)
91         : BeginOffset(BeginOffset), EndOffset(EndOffset) {}
92
93     /// \brief Support for ordering ranges.
94     ///
95     /// This provides an ordering over ranges such that start offsets are
96     /// always increasing, and within equal start offsets, the end offsets are
97     /// decreasing. Thus the spanning range comes first in in cluster with the
98     /// same start position.
99     bool operator<(const ByteRange &RHS) const {
100       if (BeginOffset < RHS.BeginOffset) return true;
101       if (BeginOffset > RHS.BeginOffset) return false;
102       if (EndOffset > RHS.EndOffset) return true;
103       return false;
104     }
105
106     /// \brief Support comparison with a single offset to allow binary searches.
107     bool operator<(uint64_t RHSOffset) const {
108       return BeginOffset < RHSOffset;
109     }
110
111     bool operator==(const ByteRange &RHS) const {
112       return BeginOffset == RHS.BeginOffset && EndOffset == RHS.EndOffset;
113     }
114     bool operator!=(const ByteRange &RHS) const { return !operator==(RHS); }
115   };
116
117   /// \brief A partition of an alloca.
118   ///
119   /// This structure represents a contiguous partition of the alloca. These are
120   /// formed by examining the uses of the alloca. During formation, they may
121   /// overlap but once an AllocaPartitioning is built, the Partitions within it
122   /// are all disjoint.
123   struct Partition : public ByteRange {
124     /// \brief Whether this partition is splittable into smaller partitions.
125     ///
126     /// We flag partitions as splittable when they are formed entirely due to
127     /// accesses by trivially split operations such as memset and memcpy.
128     ///
129     /// FIXME: At some point we should consider loads and stores of FCAs to be
130     /// splittable and eagerly split them into scalar values.
131     bool IsSplittable;
132
133     Partition() : ByteRange(), IsSplittable() {}
134     Partition(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset, bool IsSplittable)
135         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), IsSplittable(IsSplittable) {}
136   };
137
138   /// \brief A particular use of a partition of the alloca.
139   ///
140   /// This structure is used to associate uses of a partition with it. They
141   /// mark the range of bytes which are referenced by a particular instruction,
142   /// and includes a handle to the user itself and the pointer value in use.
143   /// The bounds of these uses are determined by intersecting the bounds of the
144   /// memory use itself with a particular partition. As a consequence there is
145   /// intentionally overlap between various usues of the same partition.
146   struct PartitionUse : public ByteRange {
147     /// \brief The user of this range of the alloca.
148     AssertingVH<Instruction> User;
149
150     /// \brief The particular pointer value derived from this alloca in use.
151     AssertingVH<Instruction> Ptr;
152
153     PartitionUse() : ByteRange(), User(), Ptr() {}
154     PartitionUse(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset,
155                  Instruction *User, Instruction *Ptr)
156         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), User(User), Ptr(Ptr) {}
157   };
158
159   /// \brief Construct a partitioning of a particular alloca.
160   ///
161   /// Construction does most of the work for partitioning the alloca. This
162   /// performs the necessary walks of users and builds a partitioning from it.
163   AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI);
164
165   /// \brief Test whether a pointer to the allocation escapes our analysis.
166   ///
167   /// If this is true, the partitioning is never fully built and should be
168   /// ignored.
169   bool isEscaped() const { return PointerEscapingInstr; }
170
171   /// \brief Support for iterating over the partitions.
172   /// @{
173   typedef SmallVectorImpl<Partition>::iterator iterator;
174   iterator begin() { return Partitions.begin(); }
175   iterator end() { return Partitions.end(); }
176
177   typedef SmallVectorImpl<Partition>::const_iterator const_iterator;
178   const_iterator begin() const { return Partitions.begin(); }
179   const_iterator end() const { return Partitions.end(); }
180   /// @}
181
182   /// \brief Support for iterating over and manipulating a particular
183   /// partition's uses.
184   ///
185   /// The iteration support provided for uses is more limited, but also
186   /// includes some manipulation routines to support rewriting the uses of
187   /// partitions during SROA.
188   /// @{
189   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::iterator use_iterator;
190   use_iterator use_begin(unsigned Idx) { return Uses[Idx].begin(); }
191   use_iterator use_begin(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].begin(); }
192   use_iterator use_end(unsigned Idx) { return Uses[Idx].end(); }
193   use_iterator use_end(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].end(); }
194   void use_insert(unsigned Idx, use_iterator UI, const PartitionUse &U) {
195     Uses[Idx].insert(UI, U);
196   }
197   void use_insert(const_iterator I, use_iterator UI, const PartitionUse &U) {
198     Uses[I - begin()].insert(UI, U);
199   }
200   void use_erase(unsigned Idx, use_iterator UI) { Uses[Idx].erase(UI); }
201   void use_erase(const_iterator I, use_iterator UI) {
202     Uses[I - begin()].erase(UI);
203   }
204
205   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::const_iterator const_use_iterator;
206   const_use_iterator use_begin(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].begin(); }
207   const_use_iterator use_begin(const_iterator I) const {
208     return Uses[I - begin()].begin();
209   }
210   const_use_iterator use_end(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].end(); }
211   const_use_iterator use_end(const_iterator I) const {
212     return Uses[I - begin()].end();
213   }
214   /// @}
215
216   /// \brief Allow iterating the dead users for this alloca.
217   ///
218   /// These are instructions which will never actually use the alloca as they
219   /// are outside the allocated range. They are safe to replace with undef and
220   /// delete.
221   /// @{
222   typedef SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator dead_user_iterator;
223   dead_user_iterator dead_user_begin() const { return DeadUsers.begin(); }
224   dead_user_iterator dead_user_end() const { return DeadUsers.end(); }
225   /// @}
226
227   /// \brief Allow iterating the dead operands referring to this alloca.
228   ///
229   /// These are operands which have cannot actually be used to refer to the
230   /// alloca as they are outside its range and the user doesn't correct for
231   /// that. These mostly consist of PHI node inputs and the like which we just
232   /// need to replace with undef.
233   /// @{
234   typedef SmallVectorImpl<Use *>::const_iterator dead_op_iterator;
235   dead_op_iterator dead_op_begin() const { return DeadOperands.begin(); }
236   dead_op_iterator dead_op_end() const { return DeadOperands.end(); }
237   /// @}
238
239   /// \brief MemTransferInst auxiliary data.
240   /// This struct provides some auxiliary data about memory transfer
241   /// intrinsics such as memcpy and memmove. These intrinsics can use two
242   /// different ranges within the same alloca, and provide other challenges to
243   /// correctly represent. We stash extra data to help us untangle this
244   /// after the partitioning is complete.
245   struct MemTransferOffsets {
246     uint64_t DestBegin, DestEnd;
247     uint64_t SourceBegin, SourceEnd;
248     bool IsSplittable;
249   };
250   MemTransferOffsets getMemTransferOffsets(MemTransferInst &II) const {
251     return MemTransferInstData.lookup(&II);
252   }
253
254   /// \brief Map from a PHI or select operand back to a partition.
255   ///
256   /// When manipulating PHI nodes or selects, they can use more than one
257   /// partition of an alloca. We store a special mapping to allow finding the
258   /// partition referenced by each of these operands, if any.
259   iterator findPartitionForPHIOrSelectOperand(Instruction &I, Value *Op) {
260     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
261                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
262       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
263     if (MapIt == PHIOrSelectOpMap.end())
264       return end();
265
266     return begin() + MapIt->second.first;
267   }
268
269   /// \brief Map from a PHI or select operand back to the specific use of
270   /// a partition.
271   ///
272   /// Similar to mapping these operands back to the partitions, this maps
273   /// directly to the use structure of that partition.
274   use_iterator findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(Instruction &I,
275                                                      Value *Op) {
276     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
277                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
278       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
279     assert(MapIt != PHIOrSelectOpMap.end());
280     return Uses[MapIt->second.first].begin() + MapIt->second.second;
281   }
282
283   /// \brief Compute a common type among the uses of a particular partition.
284   ///
285   /// This routines walks all of the uses of a particular partition and tries
286   /// to find a common type between them. Untyped operations such as memset and
287   /// memcpy are ignored.
288   Type *getCommonType(iterator I) const;
289
290   void print(raw_ostream &OS, const_iterator I, StringRef Indent = "  ") const;
291   void printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
292                   StringRef Indent = "  ") const;
293   void print(raw_ostream &OS) const;
294   void dump(const_iterator I) LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED const;
295   void dump() LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED const;
296
297 private:
298   template <typename DerivedT, typename RetT = void> class BuilderBase;
299   class PartitionBuilder;
300   friend class AllocaPartitioning::PartitionBuilder;
301   class UseBuilder;
302   friend class AllocaPartitioning::UseBuilder;
303
304   /// \brief Handle to alloca instruction to simplify method interfaces.
305   AllocaInst &AI;
306
307   /// \brief The instruction responsible for this alloca having no partitioning.
308   ///
309   /// When an instruction (potentially) escapes the pointer to the alloca, we
310   /// store a pointer to that here and abort trying to partition the alloca.
311   /// This will be null if the alloca is partitioned successfully.
312   Instruction *PointerEscapingInstr;
313
314   /// \brief The partitions of the alloca.
315   ///
316   /// We store a vector of the partitions over the alloca here. This vector is
317   /// sorted by increasing begin offset, and then by decreasing end offset. See
318   /// the Partition inner class for more details. Initially there are overlaps,
319   /// be during construction we form a disjoint sequence toward the end.
320   SmallVector<Partition, 8> Partitions;
321
322   /// \brief The uses of the partitions.
323   ///
324   /// This is essentially a mapping from each partition to a list of uses of
325   /// that partition. The mapping is done with a Uses vector that has the exact
326   /// same number of entries as the partition vector. Each entry is itself
327   /// a vector of the uses.
328   SmallVector<SmallVector<PartitionUse, 2>, 8> Uses;
329
330   /// \brief Instructions which will become dead if we rewrite the alloca.
331   ///
332   /// Note that these are not separated by partition. This is because we expect
333   /// a partitioned alloca to be completely rewritten or not rewritten at all.
334   /// If rewritten, all these instructions can simply be removed and replaced
335   /// with undef as they come from outside of the allocated space.
336   SmallVector<Instruction *, 8> DeadUsers;
337
338   /// \brief Operands which will become dead if we rewrite the alloca.
339   ///
340   /// These are operands that in their particular use can be replaced with
341   /// undef when we rewrite the alloca. These show up in out-of-bounds inputs
342   /// to PHI nodes and the like. They aren't entirely dead (there might be
343   /// a GEP back into the bounds using it elsewhere) and nor is the PHI, but we
344   /// want to swap this particular input for undef to simplify the use lists of
345   /// the alloca.
346   SmallVector<Use *, 8> DeadOperands;
347
348   /// \brief The underlying storage for auxiliary memcpy and memset info.
349   SmallDenseMap<MemTransferInst *, MemTransferOffsets, 4> MemTransferInstData;
350
351   /// \brief A side datastructure used when building up the partitions and uses.
352   ///
353   /// This mapping is only really used during the initial building of the
354   /// partitioning so that we can retain information about PHI and select nodes
355   /// processed.
356   SmallDenseMap<Instruction *, std::pair<uint64_t, bool> > PHIOrSelectSizes;
357
358   /// \brief Auxiliary information for particular PHI or select operands.
359   SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
360                 std::pair<unsigned, unsigned>, 4> PHIOrSelectOpMap;
361
362   /// \brief A utility routine called from the constructor.
363   ///
364   /// This does what it says on the tin. It is the key of the alloca partition
365   /// splitting and merging. After it is called we have the desired disjoint
366   /// collection of partitions.
367   void splitAndMergePartitions();
368 };
369 }
370
371 template <typename DerivedT, typename RetT>
372 class AllocaPartitioning::BuilderBase
373     : public InstVisitor<DerivedT, RetT> {
374 public:
375   BuilderBase(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
376       : TD(TD),
377         AllocSize(TD.getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType())),
378         P(P) {
379     enqueueUsers(AI, 0);
380   }
381
382 protected:
383   const TargetData &TD;
384   const uint64_t AllocSize;
385   AllocaPartitioning &P;
386
387   struct OffsetUse {
388     Use *U;
389     uint64_t Offset;
390   };
391   SmallVector<OffsetUse, 8> Queue;
392
393   // The active offset and use while visiting.
394   Use *U;
395   uint64_t Offset;
396
397   void enqueueUsers(Instruction &I, uint64_t UserOffset) {
398     SmallPtrSet<User *, 8> UserSet;
399     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
400          UI != UE; ++UI) {
401       if (!UserSet.insert(*UI))
402         continue;
403
404       OffsetUse OU = { &UI.getUse(), UserOffset };
405       Queue.push_back(OU);
406     }
407   }
408
409   bool computeConstantGEPOffset(GetElementPtrInst &GEPI, uint64_t &GEPOffset) {
410     GEPOffset = Offset;
411     for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEPI), GTE = gep_type_end(GEPI);
412          GTI != GTE; ++GTI) {
413       ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
414       if (!OpC)
415         return false;
416       if (OpC->isZero())
417         continue;
418
419       // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
420       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
421         unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
422         const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
423         GEPOffset += SL->getElementOffset(ElementIdx);
424         continue;
425       }
426
427       GEPOffset
428         += OpC->getZExtValue() * TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
429     }
430     return true;
431   }
432
433   Value *foldSelectInst(SelectInst &SI) {
434     // If the condition being selected on is a constant or the same value is
435     // being selected between, fold the select. Yes this does (rarely) happen
436     // early on.
437     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI.getCondition()))
438       return SI.getOperand(1+CI->isZero());
439     if (SI.getOperand(1) == SI.getOperand(2)) {
440       assert(*U == SI.getOperand(1));
441       return SI.getOperand(1);
442     }
443     return 0;
444   }
445 };
446
447 /// \brief Builder for the alloca partitioning.
448 ///
449 /// This class builds an alloca partitioning by recursively visiting the uses
450 /// of an alloca and splitting the partitions for each load and store at each
451 /// offset.
452 class AllocaPartitioning::PartitionBuilder
453     : public BuilderBase<PartitionBuilder, bool> {
454   friend class InstVisitor<PartitionBuilder, bool>;
455
456   SmallDenseMap<Instruction *, unsigned> MemTransferPartitionMap;
457
458 public:
459   PartitionBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
460       : BuilderBase<PartitionBuilder, bool>(TD, AI, P) {}
461
462   /// \brief Run the builder over the allocation.
463   bool operator()() {
464     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
465     // the queue grows at the tail.
466     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
467       U = Queue[Idx].U;
468       Offset = Queue[Idx].Offset;
469       if (!visit(cast<Instruction>(U->getUser())))
470         return false;
471     }
472     return true;
473   }
474
475 private:
476   bool markAsEscaping(Instruction &I) {
477     P.PointerEscapingInstr = &I;
478     return false;
479   }
480
481   void insertUse(Instruction &I, uint64_t Size, bool IsSplittable = false) {
482     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
483
484     // Completely skip uses which start outside of the allocation.
485     if (BeginOffset >= AllocSize) {
486       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte use @" << Offset
487                    << " which starts past the end of the " << AllocSize
488                    << " byte alloca:\n"
489                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
490                    << "       use: " << I << "\n");
491       return;
492     }
493
494     // Clamp the size to the allocation.
495     if (EndOffset > AllocSize) {
496       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
497                    << " to remain within the " << AllocSize << " byte alloca:\n"
498                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
499                    << "       use: " << I << "\n");
500       EndOffset = AllocSize;
501     }
502
503     // See if we can just add a user onto the last slot currently occupied.
504     if (!P.Partitions.empty() &&
505         P.Partitions.back().BeginOffset == BeginOffset &&
506         P.Partitions.back().EndOffset == EndOffset) {
507       P.Partitions.back().IsSplittable &= IsSplittable;
508       return;
509     }
510
511     Partition New(BeginOffset, EndOffset, IsSplittable);
512     P.Partitions.push_back(New);
513   }
514
515   bool handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
516     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
517
518     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
519     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
520     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
521     // behavior of insertUse. We also try to handle cases which might run the
522     // risk of overflow.
523     // FIXME: We should instead consider the pointer to have escaped if this
524     // function is being instrumented for addressing bugs or race conditions.
525     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize) {
526       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte "
527                    << (isa<LoadInst>(I) ? "load" : "store") << " @" << Offset
528                    << " which extends past the end of the " << AllocSize
529                    << " byte alloca:\n"
530                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
531                    << "       use: " << I << "\n");
532       return true;
533     }
534
535     insertUse(I, Size);
536     return true;
537   }
538
539   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
540     enqueueUsers(BC, Offset);
541     return true;
542   }
543
544   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
545     //unsigned IntPtrWidth = TD->getPointerSizeInBits();
546     //assert(IntPtrWidth == Offset.getBitWidth());
547     uint64_t GEPOffset;
548     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
549       return markAsEscaping(GEPI);
550
551     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
552     return true;
553   }
554
555   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
556     return handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
557   }
558
559   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
560     if (SI.getOperand(0) == *U)
561       return markAsEscaping(SI);
562
563     return handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
564   }
565
566
567   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
568     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
569     insertUse(II, Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, Length);
570     return true;
571   }
572
573   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
574     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
575     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
576     if (!Size)
577       // Zero-length mem transfer intrinsics can be ignored entirely.
578       return true;
579
580     MemTransferOffsets &Offsets = P.MemTransferInstData[&II];
581
582     // Only intrinsics with a constant length can be split.
583     Offsets.IsSplittable = Length;
584
585     if (*U != II.getRawDest()) {
586       assert(*U == II.getRawSource());
587       Offsets.SourceBegin = Offset;
588       Offsets.SourceEnd = Offset + Size;
589     } else {
590       Offsets.DestBegin = Offset;
591       Offsets.DestEnd = Offset + Size;
592     }
593
594     insertUse(II, Size, Offsets.IsSplittable);
595     unsigned NewIdx = P.Partitions.size() - 1;
596
597     SmallDenseMap<Instruction *, unsigned>::const_iterator PMI;
598     bool Inserted = false;
599     llvm::tie(PMI, Inserted)
600       = MemTransferPartitionMap.insert(std::make_pair(&II, NewIdx));
601     if (!Inserted && Offsets.IsSplittable) {
602       // We've found a memory transfer intrinsic which refers to the alloca as
603       // both a source and dest. We refuse to split these to simplify splitting
604       // logic. If possible, SROA will still split them into separate allocas
605       // and then re-analyze.
606       Offsets.IsSplittable = false;
607       P.Partitions[PMI->second].IsSplittable = false;
608       P.Partitions[NewIdx].IsSplittable = false;
609     }
610
611     return true;
612   }
613
614   // Disable SRoA for any intrinsics except for lifetime invariants.
615   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
616     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
617         II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
618       ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
619       uint64_t Size = std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue());
620       insertUse(II, Size, true);
621       return true;
622     }
623
624     return markAsEscaping(II);
625   }
626
627   Instruction *hasUnsafePHIOrSelectUse(Instruction *Root, uint64_t &Size) {
628     // We consider any PHI or select that results in a direct load or store of
629     // the same offset to be a viable use for partitioning purposes. These uses
630     // are considered unsplittable and the size is the maximum loaded or stored
631     // size.
632     SmallPtrSet<Instruction *, 4> Visited;
633     SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 4> Uses;
634     Visited.insert(Root);
635     Uses.push_back(std::make_pair(cast<Instruction>(*U), Root));
636     do {
637       Instruction *I, *UsedI;
638       llvm::tie(UsedI, I) = Uses.pop_back_val();
639
640       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
641         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(LI->getType()));
642         continue;
643       }
644       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
645         Value *Op = SI->getOperand(0);
646         if (Op == UsedI)
647           return SI;
648         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(Op->getType()));
649         continue;
650       }
651
652       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
653         if (!GEP->hasAllZeroIndices())
654           return GEP;
655       } else if (!isa<BitCastInst>(I) && !isa<PHINode>(I) &&
656                  !isa<SelectInst>(I)) {
657         return I;
658       }
659
660       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end(); UI != UE;
661            ++UI)
662         if (Visited.insert(cast<Instruction>(*UI)))
663           Uses.push_back(std::make_pair(I, cast<Instruction>(*UI)));
664     } while (!Uses.empty());
665
666     return 0;
667   }
668
669   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
670     // See if we already have computed info on this node.
671     std::pair<uint64_t, bool> &PHIInfo = P.PHIOrSelectSizes[&PN];
672     if (PHIInfo.first) {
673       PHIInfo.second = true;
674       insertUse(PN, PHIInfo.first);
675       return true;
676     }
677
678     // Check for an unsafe use of the PHI node.
679     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&PN, PHIInfo.first))
680       return markAsEscaping(*EscapingI);
681
682     insertUse(PN, PHIInfo.first);
683     return true;
684   }
685
686   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
687     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
688       if (Result == *U)
689         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
690         // through the select as if we had RAUW'ed it.
691         enqueueUsers(SI, Offset);
692
693       return true;
694     }
695
696     // See if we already have computed info on this node.
697     std::pair<uint64_t, bool> &SelectInfo = P.PHIOrSelectSizes[&SI];
698     if (SelectInfo.first) {
699       SelectInfo.second = true;
700       insertUse(SI, SelectInfo.first);
701       return true;
702     }
703
704     // Check for an unsafe use of the PHI node.
705     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&SI, SelectInfo.first))
706       return markAsEscaping(*EscapingI);
707
708     insertUse(SI, SelectInfo.first);
709     return true;
710   }
711
712   /// \brief Disable SROA entirely if there are unhandled users of the alloca.
713   bool visitInstruction(Instruction &I) { return markAsEscaping(I); }
714 };
715
716
717 /// \brief Use adder for the alloca partitioning.
718 ///
719 /// This class adds the uses of an alloca to all of the partitions which it
720 /// uses. For splittable partitions, this can end up doing essentially a linear
721 /// walk of the partitions, but the number of steps remains bounded by the
722 /// total result instruction size:
723 /// - The number of partitions is a result of the number unsplittable
724 ///   instructions using the alloca.
725 /// - The number of users of each partition is at worst the total number of
726 ///   splittable instructions using the alloca.
727 /// Thus we will produce N * M instructions in the end, where N are the number
728 /// of unsplittable uses and M are the number of splittable. This visitor does
729 /// the exact same number of updates to the partitioning.
730 ///
731 /// In the more common case, this visitor will leverage the fact that the
732 /// partition space is pre-sorted, and do a logarithmic search for the
733 /// partition needed, making the total visit a classical ((N + M) * log(N))
734 /// complexity operation.
735 class AllocaPartitioning::UseBuilder : public BuilderBase<UseBuilder> {
736   friend class InstVisitor<UseBuilder>;
737
738   /// \brief Set to de-duplicate dead instructions found in the use walk.
739   SmallPtrSet<Instruction *, 4> VisitedDeadInsts;
740
741 public:
742   UseBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
743       : BuilderBase<UseBuilder>(TD, AI, P) {}
744
745   /// \brief Run the builder over the allocation.
746   void operator()() {
747     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
748     // the queue grows at the tail.
749     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
750       U = Queue[Idx].U;
751       Offset = Queue[Idx].Offset;
752       this->visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
753     }
754   }
755
756 private:
757   void markAsDead(Instruction &I) {
758     if (VisitedDeadInsts.insert(&I))
759       P.DeadUsers.push_back(&I);
760   }
761
762   void insertUse(uint64_t Size, Instruction &User) {
763     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
764
765     // If the use extends outside of the allocation, record it as a dead use
766     // for elimination later.
767     if (BeginOffset >= AllocSize || Size == 0)
768       return markAsDead(User);
769
770     // Bound the use by the size of the allocation.
771     if (EndOffset > AllocSize)
772       EndOffset = AllocSize;
773
774     // NB: This only works if we have zero overlapping partitions.
775     iterator B = std::lower_bound(P.begin(), P.end(), BeginOffset);
776     if (B != P.begin() && llvm::prior(B)->EndOffset > BeginOffset)
777       B = llvm::prior(B);
778     for (iterator I = B, E = P.end(); I != E && I->BeginOffset < EndOffset;
779          ++I) {
780       PartitionUse NewUse(std::max(I->BeginOffset, BeginOffset),
781                           std::min(I->EndOffset, EndOffset),
782                           &User, cast<Instruction>(*U));
783       P.Uses[I - P.begin()].push_back(NewUse);
784       if (isa<PHINode>(U->getUser()) || isa<SelectInst>(U->getUser()))
785         P.PHIOrSelectOpMap[std::make_pair(&User, U->get())]
786           = std::make_pair(I - P.begin(), P.Uses[I - P.begin()].size() - 1);
787     }
788   }
789
790   void handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
791     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
792
793     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
794     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
795     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
796     // behavior of insertUse.
797     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize)
798       return markAsDead(I);
799
800     insertUse(Size, I);
801   }
802
803   void visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
804     if (BC.use_empty())
805       return markAsDead(BC);
806
807     enqueueUsers(BC, Offset);
808   }
809
810   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
811     if (GEPI.use_empty())
812       return markAsDead(GEPI);
813
814     //unsigned IntPtrWidth = TD->getPointerSizeInBits();
815     //assert(IntPtrWidth == Offset.getBitWidth());
816     uint64_t GEPOffset;
817     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
818       llvm_unreachable("Unable to compute constant offset for use");
819
820     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
821   }
822
823   void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
824     handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
825   }
826
827   void visitStoreInst(StoreInst &SI) {
828     handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
829   }
830
831   void visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
832     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
833     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
834   }
835
836   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
837     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
838     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
839   }
840
841   void visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
842     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
843            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
844
845     ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
846     insertUse(std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue()), II);
847   }
848
849   void insertPHIOrSelect(Instruction &User) {
850     uint64_t Size = P.PHIOrSelectSizes.lookup(&User).first;
851
852     // For PHI and select operands outside the alloca, we can't nuke the entire
853     // phi or select -- the other side might still be relevant, so we special
854     // case them here and use a separate structure to track the operands
855     // themselves which should be replaced with undef.
856     if (Offset >= AllocSize) {
857       P.DeadOperands.push_back(U);
858       return;
859     }
860
861     insertUse(Size, User);
862   }
863   void visitPHINode(PHINode &PN) {
864     if (PN.use_empty())
865       return markAsDead(PN);
866
867     insertPHIOrSelect(PN);
868   }
869   void visitSelectInst(SelectInst &SI) {
870     if (SI.use_empty())
871       return markAsDead(SI);
872
873     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
874       if (Result == *U)
875         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
876         // through the select as if we had RAUW'ed it.
877         enqueueUsers(SI, Offset);
878
879       return;
880     }
881
882     insertPHIOrSelect(SI);
883   }
884
885   /// \brief Unreachable, we've already visited the alloca once.
886   void visitInstruction(Instruction &I) {
887     llvm_unreachable("Unhandled instruction in use builder.");
888   }
889 };
890
891 void AllocaPartitioning::splitAndMergePartitions() {
892   size_t NumDeadPartitions = 0;
893
894   // Track the range of splittable partitions that we pass when accumulating
895   // overlapping unsplittable partitions.
896   uint64_t SplitEndOffset = 0ull;
897
898   Partition New(0ull, 0ull, false);
899
900   for (unsigned i = 0, j = i, e = Partitions.size(); i != e; i = j) {
901     ++j;
902
903     if (!Partitions[i].IsSplittable || New.BeginOffset == New.EndOffset) {
904       assert(New.BeginOffset == New.EndOffset);
905       New = Partitions[i];
906     } else {
907       assert(New.IsSplittable);
908       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[i].EndOffset);
909     }
910     assert(New.BeginOffset != New.EndOffset);
911
912     // Scan the overlapping partitions.
913     while (j != e && New.EndOffset > Partitions[j].BeginOffset) {
914       // If the new partition we are forming is splittable, stop at the first
915       // unsplittable partition.
916       if (New.IsSplittable && !Partitions[j].IsSplittable)
917         break;
918
919       // Grow the new partition to include any equally splittable range. 'j' is
920       // always equally splittable when New is splittable, but when New is not
921       // splittable, we may subsume some (or part of some) splitable partition
922       // without growing the new one.
923       if (New.IsSplittable == Partitions[j].IsSplittable) {
924         New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[j].EndOffset);
925       } else {
926         assert(!New.IsSplittable);
927         assert(Partitions[j].IsSplittable);
928         SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, Partitions[j].EndOffset);
929       }
930
931       Partitions[j].BeginOffset = Partitions[j].EndOffset = UINT64_MAX;
932       ++NumDeadPartitions;
933       ++j;
934     }
935
936     // If the new partition is splittable, chop off the end as soon as the
937     // unsplittable subsequent partition starts and ensure we eventually cover
938     // the splittable area.
939     if (j != e && New.IsSplittable) {
940       SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, New.EndOffset);
941       New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
942     }
943
944     // Add the new partition if it differs from the original one and is
945     // non-empty. We can end up with an empty partition here if it was
946     // splittable but there is an unsplittable one that starts at the same
947     // offset.
948     if (New != Partitions[i]) {
949       if (New.BeginOffset != New.EndOffset)
950         Partitions.push_back(New);
951       // Mark the old one for removal.
952       Partitions[i].BeginOffset = Partitions[i].EndOffset = UINT64_MAX;
953       ++NumDeadPartitions;
954     }
955
956     New.BeginOffset = New.EndOffset;
957     if (!New.IsSplittable) {
958       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, SplitEndOffset);
959       if (j != e && !Partitions[j].IsSplittable)
960         New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
961       New.IsSplittable = true;
962       // If there is a trailing splittable partition which won't be fused into
963       // the next splittable partition go ahead and add it onto the partitions
964       // list.
965       if (New.BeginOffset < New.EndOffset &&
966           (j == e || !Partitions[j].IsSplittable ||
967            New.EndOffset < Partitions[j].BeginOffset)) {
968         Partitions.push_back(New);
969         New.BeginOffset = New.EndOffset = 0ull;
970       }
971     }
972   }
973
974   // Re-sort the partitions now that they have been split and merged into
975   // disjoint set of partitions. Also remove any of the dead partitions we've
976   // replaced in the process.
977   std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
978   if (NumDeadPartitions) {
979     assert(Partitions.back().BeginOffset == UINT64_MAX);
980     assert(Partitions.back().EndOffset == UINT64_MAX);
981     assert((ptrdiff_t)NumDeadPartitions ==
982            std::count(Partitions.begin(), Partitions.end(), Partitions.back()));
983   }
984   Partitions.erase(Partitions.end() - NumDeadPartitions, Partitions.end());
985 }
986
987 AllocaPartitioning::AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI)
988     : AI(AI), PointerEscapingInstr(0) {
989   PartitionBuilder PB(TD, AI, *this);
990   if (!PB())
991     return;
992
993   if (Partitions.size() > 1) {
994     // Sort the uses. This arranges for the offsets to be in ascending order,
995     // and the sizes to be in descending order.
996     std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
997
998     // Intersect splittability for all partitions with equal offsets and sizes.
999     // Then remove all but the first so that we have a sequence of non-equal but
1000     // potentially overlapping partitions.
1001     for (iterator I = Partitions.begin(), J = I, E = Partitions.end(); I != E;
1002          I = J) {
1003       ++J;
1004       while (J != E && *I == *J) {
1005         I->IsSplittable &= J->IsSplittable;
1006         ++J;
1007       }
1008     }
1009     Partitions.erase(std::unique(Partitions.begin(), Partitions.end()),
1010                      Partitions.end());
1011
1012     // Split splittable and merge unsplittable partitions into a disjoint set
1013     // of partitions over the used space of the allocation.
1014     splitAndMergePartitions();
1015   }
1016
1017   // Now build up the user lists for each of these disjoint partitions by
1018   // re-walking the recursive users of the alloca.
1019   Uses.resize(Partitions.size());
1020   UseBuilder UB(TD, AI, *this);
1021   UB();
1022   for (iterator I = Partitions.begin(), E = Partitions.end(); I != E; ++I)
1023     std::stable_sort(use_begin(I), use_end(I));
1024 }
1025
1026 Type *AllocaPartitioning::getCommonType(iterator I) const {
1027   Type *Ty = 0;
1028   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I); UI != UE; ++UI) {
1029     if (isa<MemIntrinsic>(*UI->User))
1030       continue;
1031     if (UI->BeginOffset != I->BeginOffset || UI->EndOffset != I->EndOffset)
1032       break;
1033
1034     Type *UserTy = 0;
1035     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*UI->User)) {
1036       UserTy = LI->getType();
1037     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*UI->User)) {
1038       UserTy = SI->getValueOperand()->getType();
1039     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(&*UI->User)) {
1040       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(SI->getType()))
1041         UserTy = PtrTy->getElementType();
1042     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&*UI->User)) {
1043       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(PN->getType()))
1044         UserTy = PtrTy->getElementType();
1045     }
1046
1047     if (Ty && Ty != UserTy)
1048       return 0;
1049
1050     Ty = UserTy;
1051   }
1052   return Ty;
1053 }
1054
1055 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1056                                StringRef Indent) const {
1057   OS << Indent << "partition #" << (I - begin())
1058      << " [" << I->BeginOffset << "," << I->EndOffset << ")"
1059      << (I->IsSplittable ? " (splittable)" : "")
1060      << (Uses[I - begin()].empty() ? " (zero uses)" : "")
1061      << "\n";
1062 }
1063
1064 void AllocaPartitioning::printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1065                                     StringRef Indent) const {
1066   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I);
1067        UI != UE; ++UI) {
1068     OS << Indent << "  [" << UI->BeginOffset << "," << UI->EndOffset << ") "
1069        << "used by: " << *UI->User << "\n";
1070     if (MemTransferInst *II = dyn_cast<MemTransferInst>(&*UI->User)) {
1071       const MemTransferOffsets &MTO = MemTransferInstData.lookup(II);
1072       bool IsDest;
1073       if (!MTO.IsSplittable)
1074         IsDest = UI->BeginOffset == MTO.DestBegin;
1075       else
1076         IsDest = MTO.DestBegin != 0u;
1077       OS << Indent << "    (original " << (IsDest ? "dest" : "source") << ": "
1078          << "[" << (IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin)
1079          << "," << (IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd) << ")\n";
1080     }
1081   }
1082 }
1083
1084 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS) const {
1085   if (PointerEscapingInstr) {
1086     OS << "No partitioning for alloca: " << AI << "\n"
1087        << "  A pointer to this alloca escaped by:\n"
1088        << "  " << *PointerEscapingInstr << "\n";
1089     return;
1090   }
1091
1092   OS << "Partitioning of alloca: " << AI << "\n";
1093   unsigned Num = 0;
1094   for (const_iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I, ++Num) {
1095     print(OS, I);
1096     printUsers(OS, I);
1097   }
1098 }
1099
1100 void AllocaPartitioning::dump(const_iterator I) const { print(dbgs(), I); }
1101 void AllocaPartitioning::dump() const { print(dbgs()); }
1102
1103
1104 namespace {
1105 /// \brief An optimization pass providing Scalar Replacement of Aggregates.
1106 ///
1107 /// This pass takes allocations which can be completely analyzed (that is, they
1108 /// don't escape) and tries to turn them into scalar SSA values. There are
1109 /// a few steps to this process.
1110 ///
1111 /// 1) It takes allocations of aggregates and analyzes the ways in which they
1112 ///    are used to try to split them into smaller allocations, ideally of
1113 ///    a single scalar data type. It will split up memcpy and memset accesses
1114 ///    as necessary and try to isolate invidual scalar accesses.
1115 /// 2) It will transform accesses into forms which are suitable for SSA value
1116 ///    promotion. This can be replacing a memset with a scalar store of an
1117 ///    integer value, or it can involve speculating operations on a PHI or
1118 ///    select to be a PHI or select of the results.
1119 /// 3) Finally, this will try to detect a pattern of accesses which map cleanly
1120 ///    onto insert and extract operations on a vector value, and convert them to
1121 ///    this form. By doing so, it will enable promotion of vector aggregates to
1122 ///    SSA vector values.
1123 class SROA : public FunctionPass {
1124   LLVMContext *C;
1125   const TargetData *TD;
1126   DominatorTree *DT;
1127
1128   /// \brief Worklist of alloca instructions to simplify.
1129   ///
1130   /// Each alloca in the function is added to this. Each new alloca formed gets
1131   /// added to it as well to recursively simplify unless that alloca can be
1132   /// directly promoted. Finally, each time we rewrite a use of an alloca other
1133   /// the one being actively rewritten, we add it back onto the list if not
1134   /// already present to ensure it is re-visited.
1135   SetVector<AllocaInst *, SmallVector<AllocaInst *, 16> > Worklist;
1136
1137   /// \brief A collection of instructions to delete.
1138   /// We try to batch deletions to simplify code and make things a bit more
1139   /// efficient.
1140   SmallVector<Instruction *, 8> DeadInsts;
1141
1142   /// \brief A set to prevent repeatedly marking an instruction split into many
1143   /// uses as dead. Only used to guard insertion into DeadInsts.
1144   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadSplitInsts;
1145
1146   /// \brief A set of deleted alloca instructions.
1147   ///
1148   /// These pointers are *no longer valid* as they have been deleted. They are
1149   /// used to remove deleted allocas from the list of promotable allocas.
1150   SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> DeletedAllocas;
1151
1152   /// \brief A collection of alloca instructions we can directly promote.
1153   std::vector<AllocaInst *> PromotableAllocas;
1154
1155 public:
1156   SROA() : FunctionPass(ID), C(0), TD(0), DT(0) {
1157     initializeSROAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1158   }
1159   bool runOnFunction(Function &F);
1160   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
1161
1162   const char *getPassName() const { return "SROA"; }
1163   static char ID;
1164
1165 private:
1166   friend class AllocaPartitionRewriter;
1167   friend class AllocaPartitionVectorRewriter;
1168
1169   bool rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
1170                               AllocaPartitioning &P,
1171                               AllocaPartitioning::iterator PI);
1172   bool splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P);
1173   bool runOnAlloca(AllocaInst &AI);
1174   void deleteDeadInstructions();
1175 };
1176 }
1177
1178 char SROA::ID = 0;
1179
1180 FunctionPass *llvm::createSROAPass() {
1181   return new SROA();
1182 }
1183
1184 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1185                       false, false)
1186 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
1187 INITIALIZE_PASS_END(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1188                     false, false)
1189
1190 /// \brief Accumulate the constant offsets in a GEP into a single APInt offset.
1191 ///
1192 /// If the provided GEP is all-constant, the total byte offset formed by the
1193 /// GEP is computed and Offset is set to it. If the GEP has any non-constant
1194 /// operands, the function returns false and the value of Offset is unmodified.
1195 static bool accumulateGEPOffsets(const TargetData &TD, GEPOperator &GEP,
1196                                  APInt &Offset) {
1197   APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1198   for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP), GTE = gep_type_end(GEP);
1199        GTI != GTE; ++GTI) {
1200     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
1201     if (!OpC)
1202       return false;
1203     if (OpC->isZero()) continue;
1204
1205     // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
1206     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
1207       unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
1208       const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1209       GEPOffset += APInt(Offset.getBitWidth(),
1210                          SL->getElementOffset(ElementIdx));
1211       continue;
1212     }
1213
1214     APInt TypeSize(Offset.getBitWidth(),
1215                    TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
1216     if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(*GTI)) {
1217       assert((VTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1218              "vector element size is not a multiple of 8, cannot GEP over it");
1219       TypeSize = VTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1220     }
1221
1222     GEPOffset += OpC->getValue().sextOrTrunc(Offset.getBitWidth()) * TypeSize;
1223   }
1224   Offset = GEPOffset;
1225   return true;
1226 }
1227
1228 /// \brief Build a GEP out of a base pointer and indices.
1229 ///
1230 /// This will return the BasePtr if that is valid, or build a new GEP
1231 /// instruction using the IRBuilder if GEP-ing is needed.
1232 static Value *buildGEP(IRBuilder<> &IRB, Value *BasePtr,
1233                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1234                        const Twine &Prefix) {
1235   if (Indices.empty())
1236     return BasePtr;
1237
1238   // A single zero index is a no-op, so check for this and avoid building a GEP
1239   // in that case.
1240   if (Indices.size() == 1 && cast<ConstantInt>(Indices.back())->isZero())
1241     return BasePtr;
1242
1243   return IRB.CreateInBoundsGEP(BasePtr, Indices, Prefix + ".idx");
1244 }
1245
1246 /// \brief Get a natural GEP off of the BasePtr walking through Ty toward
1247 /// TargetTy without changing the offset of the pointer.
1248 ///
1249 /// This routine assumes we've already established a properly offset GEP with
1250 /// Indices, and arrived at the Ty type. The goal is to continue to GEP with
1251 /// zero-indices down through type layers until we find one the same as
1252 /// TargetTy. If we can't find one with the same type, we at least try to use
1253 /// one with the same size. If none of that works, we just produce the GEP as
1254 /// indicated by Indices to have the correct offset.
1255 static Value *getNaturalGEPWithType(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1256                                     Value *BasePtr, Type *Ty, Type *TargetTy,
1257                                     SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1258                                     const Twine &Prefix) {
1259   if (Ty == TargetTy)
1260     return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1261
1262   // See if we can descend into a struct and locate a field with the correct
1263   // type.
1264   unsigned NumLayers = 0;
1265   Type *ElementTy = Ty;
1266   do {
1267     if (ElementTy->isPointerTy())
1268       break;
1269     if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(ElementTy)) {
1270       ElementTy = SeqTy->getElementType();
1271       Indices.push_back(IRB.getInt(APInt(TD.getPointerSizeInBits(), 0)));
1272     } else if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElementTy)) {
1273       ElementTy = *STy->element_begin();
1274       Indices.push_back(IRB.getInt32(0));
1275     } else {
1276       break;
1277     }
1278     ++NumLayers;
1279   } while (ElementTy != TargetTy);
1280   if (ElementTy != TargetTy)
1281     Indices.erase(Indices.end() - NumLayers, Indices.end());
1282
1283   return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1284 }
1285
1286 /// \brief Recursively compute indices for a natural GEP.
1287 ///
1288 /// This is the recursive step for getNaturalGEPWithOffset that walks down the
1289 /// element types adding appropriate indices for the GEP.
1290 static Value *getNaturalGEPRecursively(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1291                                        Value *Ptr, Type *Ty, APInt &Offset,
1292                                        Type *TargetTy,
1293                                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1294                                        const Twine &Prefix) {
1295   if (Offset == 0)
1296     return getNaturalGEPWithType(IRB, TD, Ptr, Ty, TargetTy, Indices, Prefix);
1297
1298   // We can't recurse through pointer types.
1299   if (Ty->isPointerTy())
1300     return 0;
1301
1302   if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
1303     unsigned ElementSizeInBits = VecTy->getScalarSizeInBits();
1304     if (ElementSizeInBits % 8)
1305       return 0; // GEPs over multiple of 8 size vector elements are invalid.
1306     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), ElementSizeInBits / 8);
1307     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1308     if (NumSkippedElements.ugt(VecTy->getNumElements()))
1309       return 0;
1310     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1311     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1312     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, VecTy->getElementType(),
1313                                     Offset, TargetTy, Indices, Prefix);
1314   }
1315
1316   if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
1317     Type *ElementTy = ArrTy->getElementType();
1318     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1319     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1320     if (NumSkippedElements.ugt(ArrTy->getNumElements()))
1321       return 0;
1322
1323     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1324     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1325     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1326                                     Indices, Prefix);
1327   }
1328
1329   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
1330   if (!STy)
1331     return 0;
1332
1333   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1334   uint64_t StructOffset = Offset.getZExtValue();
1335   if (StructOffset > SL->getSizeInBytes())
1336     return 0;
1337   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(StructOffset);
1338   Offset -= APInt(Offset.getBitWidth(), SL->getElementOffset(Index));
1339   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
1340   if (Offset.uge(TD.getTypeAllocSize(ElementTy)))
1341     return 0; // The offset points into alignment padding.
1342
1343   Indices.push_back(IRB.getInt32(Index));
1344   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1345                                   Indices, Prefix);
1346 }
1347
1348 /// \brief Get a natural GEP from a base pointer to a particular offset and
1349 /// resulting in a particular type.
1350 ///
1351 /// The goal is to produce a "natural" looking GEP that works with the existing
1352 /// composite types to arrive at the appropriate offset and element type for
1353 /// a pointer. TargetTy is the element type the returned GEP should point-to if
1354 /// possible. We recurse by decreasing Offset, adding the appropriate index to
1355 /// Indices, and setting Ty to the result subtype.
1356 ///
1357 /// If no natural GEP can be constructed, this function returns a null Value*.
1358 static Value *getNaturalGEPWithOffset(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1359                                       Value *Ptr, APInt Offset, Type *TargetTy,
1360                                       SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1361                                       const Twine &Prefix) {
1362   PointerType *Ty = cast<PointerType>(Ptr->getType());
1363
1364   // Don't consider any GEPs through an i8* as natural unless the TargetTy is
1365   // an i8.
1366   if (Ty == IRB.getInt8PtrTy() && TargetTy->isIntegerTy(8))
1367     return 0;
1368
1369   Type *ElementTy = Ty->getElementType();
1370   APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1371   if (ElementSize == 0)
1372     return 0; // Zero-length arrays can't help us build a natural GEP.
1373   APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1374
1375   Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1376   Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1377   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1378                                   Indices, Prefix);
1379 }
1380
1381 /// \brief Compute an adjusted pointer from Ptr by Offset bytes where the
1382 /// resulting pointer has PointerTy.
1383 ///
1384 /// This tries very hard to compute a "natural" GEP which arrives at the offset
1385 /// and produces the pointer type desired. Where it cannot, it will try to use
1386 /// the natural GEP to arrive at the offset and bitcast to the type. Where that
1387 /// fails, it will try to use an existing i8* and GEP to the byte offset and
1388 /// bitcast to the type.
1389 ///
1390 /// The strategy for finding the more natural GEPs is to peel off layers of the
1391 /// pointer, walking back through bit casts and GEPs, searching for a base
1392 /// pointer from which we can compute a natural GEP with the desired
1393 /// properities. The algorithm tries to fold as many constant indices into
1394 /// a single GEP as possible, thus making each GEP more independent of the
1395 /// surrounding code.
1396 static Value *getAdjustedPtr(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1397                              Value *Ptr, APInt Offset, Type *PointerTy,
1398                              const Twine &Prefix) {
1399   // Even though we don't look through PHI nodes, we could be called on an
1400   // instruction in an unreachable block, which may be on a cycle.
1401   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
1402   Visited.insert(Ptr);
1403   SmallVector<Value *, 4> Indices;
1404
1405   // We may end up computing an offset pointer that has the wrong type. If we
1406   // never are able to compute one directly that has the correct type, we'll
1407   // fall back to it, so keep it around here.
1408   Value *OffsetPtr = 0;
1409
1410   // Remember any i8 pointer we come across to re-use if we need to do a raw
1411   // byte offset.
1412   Value *Int8Ptr = 0;
1413   APInt Int8PtrOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1414
1415   Type *TargetTy = PointerTy->getPointerElementType();
1416
1417   do {
1418     // First fold any existing GEPs into the offset.
1419     while (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr)) {
1420       APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1421       if (!accumulateGEPOffsets(TD, *GEP, GEPOffset))
1422         break;
1423       Offset += GEPOffset;
1424       Ptr = GEP->getPointerOperand();
1425       if (!Visited.insert(Ptr))
1426         break;
1427     }
1428
1429     // See if we can perform a natural GEP here.
1430     Indices.clear();
1431     if (Value *P = getNaturalGEPWithOffset(IRB, TD, Ptr, Offset, TargetTy,
1432                                            Indices, Prefix)) {
1433       if (P->getType() == PointerTy) {
1434         // Zap any offset pointer that we ended up computing in previous rounds.
1435         if (OffsetPtr && OffsetPtr->use_empty())
1436           if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OffsetPtr))
1437             I->eraseFromParent();
1438         return P;
1439       }
1440       if (!OffsetPtr) {
1441         OffsetPtr = P;
1442       }
1443     }
1444
1445     // Stash this pointer if we've found an i8*.
1446     if (Ptr->getType()->isIntegerTy(8)) {
1447       Int8Ptr = Ptr;
1448       Int8PtrOffset = Offset;
1449     }
1450
1451     // Peel off a layer of the pointer and update the offset appropriately.
1452     if (Operator::getOpcode(Ptr) == Instruction::BitCast) {
1453       Ptr = cast<Operator>(Ptr)->getOperand(0);
1454     } else if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(Ptr)) {
1455       if (GA->mayBeOverridden())
1456         break;
1457       Ptr = GA->getAliasee();
1458     } else {
1459       break;
1460     }
1461     assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected operand type!");
1462   } while (Visited.insert(Ptr));
1463
1464   if (!OffsetPtr) {
1465     if (!Int8Ptr) {
1466       Int8Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, IRB.getInt8PtrTy(),
1467                                   Prefix + ".raw_cast");
1468       Int8PtrOffset = Offset;
1469     }
1470
1471     OffsetPtr = Int8PtrOffset == 0 ? Int8Ptr :
1472       IRB.CreateInBoundsGEP(Int8Ptr, IRB.getInt(Int8PtrOffset),
1473                             Prefix + ".raw_idx");
1474   }
1475   Ptr = OffsetPtr;
1476
1477   // On the off chance we were targeting i8*, guard the bitcast here.
1478   if (Ptr->getType() != PointerTy)
1479     Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, PointerTy, Prefix + ".cast");
1480
1481   return Ptr;
1482 }
1483
1484 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to a vector.
1485 ///
1486 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1487 /// partition (and its newly formed alloca) into a vector alloca with only
1488 /// whole-vector loads and stores such that it could be promoted to a vector
1489 /// SSA value. We only can ensure this for a limited set of operations, and we
1490 /// don't want to do the rewrites unless we are confident that the result will
1491 /// be promotable, so we have an early test here.
1492 static bool isVectorPromotionViable(const TargetData &TD,
1493                                     Type *AllocaTy,
1494                                     AllocaPartitioning &P,
1495                                     uint64_t PartitionBeginOffset,
1496                                     uint64_t PartitionEndOffset,
1497                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1498                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1499   VectorType *Ty = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy);
1500   if (!Ty)
1501     return false;
1502
1503   uint64_t VecSize = TD.getTypeSizeInBits(Ty);
1504   uint64_t ElementSize = Ty->getScalarSizeInBits();
1505
1506   // While the definition of LLVM vectors is bitpacked, we don't support sizes
1507   // that aren't byte sized.
1508   if (ElementSize % 8)
1509     return false;
1510   assert((VecSize % 8) == 0 && "vector size not a multiple of element size?");
1511   VecSize /= 8;
1512   ElementSize /= 8;
1513
1514   for (; I != E; ++I) {
1515     uint64_t BeginOffset = I->BeginOffset - PartitionBeginOffset;
1516     uint64_t BeginIndex = BeginOffset / ElementSize;
1517     if (BeginIndex * ElementSize != BeginOffset ||
1518         BeginIndex >= Ty->getNumElements())
1519       return false;
1520     uint64_t EndOffset = I->EndOffset - PartitionBeginOffset;
1521     uint64_t EndIndex = EndOffset / ElementSize;
1522     if (EndIndex * ElementSize != EndOffset ||
1523         EndIndex > Ty->getNumElements())
1524       return false;
1525
1526     // FIXME: We should build shuffle vector instructions to handle
1527     // non-element-sized accesses.
1528     if ((EndOffset - BeginOffset) != ElementSize &&
1529         (EndOffset - BeginOffset) != VecSize)
1530       return false;
1531
1532     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1533       if (MI->isVolatile())
1534         return false;
1535       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1536         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1537           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1538         if (!MTO.IsSplittable)
1539           return false;
1540       }
1541     } else if (I->Ptr->getType()->getPointerElementType()->isStructTy()) {
1542       // Disable vector promotion when there are loads or stores of an FCA.
1543       return false;
1544     } else if (!isa<LoadInst>(*I->User) && !isa<StoreInst>(*I->User)) {
1545       return false;
1546     }
1547   }
1548   return true;
1549 }
1550
1551 namespace {
1552 /// \brief Visitor to rewrite instructions using a partition of an alloca to
1553 /// use a new alloca.
1554 ///
1555 /// Also implements the rewriting to vector-based accesses when the partition
1556 /// passes the isVectorPromotionViable predicate. Most of the rewriting logic
1557 /// lives here.
1558 class AllocaPartitionRewriter : public InstVisitor<AllocaPartitionRewriter,
1559                                                    bool> {
1560   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
1561   friend class llvm::InstVisitor<AllocaPartitionRewriter, bool>;
1562
1563   const TargetData &TD;
1564   AllocaPartitioning &P;
1565   SROA &Pass;
1566   AllocaInst &OldAI, &NewAI;
1567   const uint64_t NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset;
1568
1569   // If we are rewriting an alloca partition which can be written as pure
1570   // vector operations, we stash extra information here. When VecTy is
1571   // non-null, we have some strict guarantees about the rewriten alloca:
1572   //   - The new alloca is exactly the size of the vector type here.
1573   //   - The accesses all either map to the entire vector or to a single
1574   //     element.
1575   //   - The set of accessing instructions is only one of those handled above
1576   //     in isVectorPromotionViable. Generally these are the same access kinds
1577   //     which are promotable via mem2reg.
1578   VectorType *VecTy;
1579   Type *ElementTy;
1580   uint64_t ElementSize;
1581
1582   // The offset of the partition user currently being rewritten.
1583   uint64_t BeginOffset, EndOffset;
1584   Instruction *OldPtr;
1585
1586   // The name prefix to use when rewriting instructions for this alloca.
1587   std::string NamePrefix;
1588
1589 public:
1590   AllocaPartitionRewriter(const TargetData &TD, AllocaPartitioning &P,
1591                           AllocaPartitioning::iterator PI,
1592                           SROA &Pass, AllocaInst &OldAI, AllocaInst &NewAI,
1593                           uint64_t NewBeginOffset, uint64_t NewEndOffset)
1594     : TD(TD), P(P), Pass(Pass),
1595       OldAI(OldAI), NewAI(NewAI),
1596       NewAllocaBeginOffset(NewBeginOffset),
1597       NewAllocaEndOffset(NewEndOffset),
1598       VecTy(), ElementTy(), ElementSize(),
1599       BeginOffset(), EndOffset() {
1600   }
1601
1602   /// \brief Visit the users of the alloca partition and rewrite them.
1603   bool visitUsers(AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1604                   AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1605     if (isVectorPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(), P,
1606                                 NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset,
1607                                 I, E)) {
1608       ++NumVectorized;
1609       VecTy = cast<VectorType>(NewAI.getAllocatedType());
1610       ElementTy = VecTy->getElementType();
1611       assert((VecTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1612              "Only multiple-of-8 sized vector elements are viable");
1613       ElementSize = VecTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1614     }
1615     bool CanSROA = true;
1616     for (; I != E; ++I) {
1617       BeginOffset = I->BeginOffset;
1618       EndOffset = I->EndOffset;
1619       OldPtr = I->Ptr;
1620       NamePrefix = (Twine(NewAI.getName()) + "." + Twine(BeginOffset)).str();
1621       CanSROA &= visit(I->User);
1622     }
1623     if (VecTy) {
1624       assert(CanSROA);
1625       VecTy = 0;
1626       ElementTy = 0;
1627       ElementSize = 0;
1628     }
1629     return CanSROA;
1630   }
1631
1632 private:
1633   // Every instruction which can end up as a user must have a rewrite rule.
1634   bool visitInstruction(Instruction &I) {
1635     DEBUG(dbgs() << "    !!!! Cannot rewrite: " << I << "\n");
1636     llvm_unreachable("No rewrite rule for this instruction!");
1637   }
1638
1639   Twine getName(const Twine &Suffix) {
1640     return NamePrefix + Suffix;
1641   }
1642
1643   Value *getAdjustedAllocaPtr(IRBuilder<> &IRB, Type *PointerTy) {
1644     assert(BeginOffset >= NewAllocaBeginOffset);
1645     APInt Offset(TD.getPointerSizeInBits(), BeginOffset - NewAllocaBeginOffset);
1646     return getAdjustedPtr(IRB, TD, &NewAI, Offset, PointerTy, getName(""));
1647   }
1648
1649   ConstantInt *getIndex(IRBuilder<> &IRB, uint64_t Offset) {
1650     assert(VecTy && "Can only call getIndex when rewriting a vector");
1651     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1652     assert(RelOffset / ElementSize < UINT32_MAX && "Index out of bounds");
1653     uint32_t Index = RelOffset / ElementSize;
1654     assert(Index * ElementSize == RelOffset);
1655     return IRB.getInt32(Index);
1656   }
1657
1658   void deleteIfTriviallyDead(Value *V) {
1659     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1660     if (isInstructionTriviallyDead(I))
1661       Pass.DeadInsts.push_back(I);
1662   }
1663
1664   Value *getValueCast(IRBuilder<> &IRB, Value *V, Type *Ty) {
1665     if (V->getType()->isIntegerTy() && Ty->isPointerTy())
1666       return IRB.CreateIntToPtr(V, Ty);
1667     if (V->getType()->isPointerTy() && Ty->isIntegerTy())
1668       return IRB.CreatePtrToInt(V, Ty);
1669
1670     return IRB.CreateBitCast(V, Ty);
1671   }
1672
1673   bool rewriteVectorizedLoadInst(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI, Value *OldOp) {
1674     Value *Result;
1675     if (LI.getType() == VecTy->getElementType() ||
1676         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1677       Result
1678         = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1679                                    getIndex(IRB, BeginOffset),
1680                                    getName(".extract"));
1681     } else {
1682       Result = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1683     }
1684     if (Result->getType() != LI.getType())
1685       Result = getValueCast(IRB, Result, LI.getType());
1686     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1687     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1688
1689     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1690     return true;
1691   }
1692
1693   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1694     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
1695     Value *OldOp = LI.getOperand(0);
1696     assert(OldOp == OldPtr);
1697     IRBuilder<> IRB(&LI);
1698
1699     if (VecTy)
1700       return rewriteVectorizedLoadInst(IRB, LI, OldOp);
1701
1702     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1703                                          LI.getPointerOperand()->getType());
1704     LI.setOperand(0, NewPtr);
1705     DEBUG(dbgs() << "          to: " << LI << "\n");
1706
1707     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1708     return NewPtr == &NewAI && !LI.isVolatile();
1709   }
1710
1711   bool rewriteVectorizedStoreInst(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI,
1712                                   Value *OldOp) {
1713     Value *V = SI.getValueOperand();
1714     if (V->getType() == ElementTy ||
1715         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1716       if (V->getType() != ElementTy)
1717         V = getValueCast(IRB, V, ElementTy);
1718       V = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1719                                   getIndex(IRB, BeginOffset),
1720                                   getName(".insert"));
1721     } else if (V->getType() != VecTy) {
1722       V = getValueCast(IRB, V, VecTy);
1723     }
1724     StoreInst *Store = IRB.CreateStore(V, &NewAI);
1725     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
1726
1727     (void)Store;
1728     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1729     return true;
1730   }
1731
1732   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
1733     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
1734     Value *OldOp = SI.getOperand(1);
1735     assert(OldOp == OldPtr);
1736     IRBuilder<> IRB(&SI);
1737
1738     if (VecTy)
1739       return rewriteVectorizedStoreInst(IRB, SI, OldOp);
1740
1741     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1742                                          SI.getPointerOperand()->getType());
1743     SI.setOperand(1, NewPtr);
1744     DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
1745
1746     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1747     return NewPtr == &NewAI && !SI.isVolatile();
1748   }
1749
1750   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
1751     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1752     IRBuilder<> IRB(&II);
1753     assert(II.getRawDest() == OldPtr);
1754
1755     // If the memset has a variable size, it cannot be split, just adjust the
1756     // pointer to the new alloca.
1757     if (!isa<Constant>(II.getLength())) {
1758       II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1759       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
1760       return false;
1761     }
1762
1763     // Record this instruction for deletion.
1764     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1765       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1766
1767     Type *AllocaTy = NewAI.getAllocatedType();
1768     Type *ScalarTy = AllocaTy->getScalarType();
1769
1770     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1771     // a single value type, just emit a memset.
1772     if (!VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1773                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1774                    !AllocaTy->isSingleValueType() ||
1775                    !TD.isLegalInteger(TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy)))) {
1776       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1777       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1778
1779       CallInst *New
1780         = IRB.CreateMemSet(getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1781                                                 II.getRawDest()->getType()),
1782                            II.getValue(), Size, II.getAlignment(),
1783                            II.isVolatile());
1784       (void)New;
1785       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1786       return false;
1787     }
1788
1789     // If we can represent this as a simple value, we have to build the actual
1790     // value to store, which requires expanding the byte present in memset to
1791     // a sensible representation for the alloca type. This is essentially
1792     // splatting the byte to a sufficiently wide integer, bitcasting to the
1793     // desired scalar type, and splatting it across any desired vector type.
1794     Value *V = II.getValue();
1795     IntegerType *VTy = cast<IntegerType>(V->getType());
1796     Type *IntTy = Type::getIntNTy(VTy->getContext(),
1797                                   TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy));
1798     if (TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy) > VTy->getBitWidth())
1799       V = IRB.CreateMul(IRB.CreateZExt(V, IntTy, getName(".zext")),
1800                         ConstantExpr::getUDiv(
1801                           Constant::getAllOnesValue(IntTy),
1802                           ConstantExpr::getZExt(
1803                             Constant::getAllOnesValue(V->getType()),
1804                             IntTy)),
1805                         getName(".isplat"));
1806     if (V->getType() != ScalarTy) {
1807       if (ScalarTy->isPointerTy())
1808         V = IRB.CreateIntToPtr(V, ScalarTy);
1809       else if (ScalarTy->isPrimitiveType() || ScalarTy->isVectorTy())
1810         V = IRB.CreateBitCast(V, ScalarTy);
1811       else if (ScalarTy->isIntegerTy())
1812         llvm_unreachable("Computed different integer types with equal widths");
1813       else
1814         llvm_unreachable("Invalid scalar type");
1815     }
1816
1817     // If this is an element-wide memset of a vectorizable alloca, insert it.
1818     if (VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1819                   EndOffset < NewAllocaEndOffset)) {
1820       StoreInst *Store = IRB.CreateStore(
1821         IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1822                                 getIndex(IRB, BeginOffset),
1823                                 getName(".insert")),
1824         &NewAI);
1825       (void)Store;
1826       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1827       return true;
1828     }
1829
1830     // Splat to a vector if needed.
1831     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy)) {
1832       VectorType *SplatSourceTy = VectorType::get(V->getType(), 1);
1833       V = IRB.CreateShuffleVector(
1834         IRB.CreateInsertElement(UndefValue::get(SplatSourceTy), V,
1835                                 IRB.getInt32(0), getName(".vsplat.insert")),
1836         UndefValue::get(SplatSourceTy),
1837         ConstantVector::getSplat(VecTy->getNumElements(), IRB.getInt32(0)),
1838         getName(".vsplat.shuffle"));
1839       assert(V->getType() == VecTy);
1840     }
1841
1842     Value *New = IRB.CreateStore(V, &NewAI, II.isVolatile());
1843     (void)New;
1844     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1845     return !II.isVolatile();
1846   }
1847
1848   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
1849     // Rewriting of memory transfer instructions can be a bit tricky. We break
1850     // them into two categories: split intrinsics and unsplit intrinsics.
1851
1852     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1853     IRBuilder<> IRB(&II);
1854
1855     assert(II.getRawSource() == OldPtr || II.getRawDest() == OldPtr);
1856     bool IsDest = II.getRawDest() == OldPtr;
1857
1858     const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1859       = P.getMemTransferOffsets(II);
1860
1861     // For unsplit intrinsics, we simply modify the source and destination
1862     // pointers in place. This isn't just an optimization, it is a matter of
1863     // correctness. With unsplit intrinsics we may be dealing with transfers
1864     // within a single alloca before SROA ran, or with transfers that have
1865     // a variable length. We may also be dealing with memmove instead of
1866     // memcpy, and so simply updating the pointers is the necessary for us to
1867     // update both source and dest of a single call.
1868     if (!MTO.IsSplittable) {
1869       Value *OldOp = IsDest ? II.getRawDest() : II.getRawSource();
1870       if (IsDest)
1871         II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1872       else
1873         II.setSource(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawSource()->getType()));
1874
1875       DEBUG(dbgs() << "          to: " << II << "\n");
1876       deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1877       return false;
1878     }
1879     // For split transfer intrinsics we have an incredibly useful assurance:
1880     // the source and destination do not reside within the same alloca, and at
1881     // least one of them does not escape. This means that we can replace
1882     // memmove with memcpy, and we don't need to worry about all manner of
1883     // downsides to splitting and transforming the operations.
1884
1885     // Compute the relative offset within the transfer.
1886     unsigned IntPtrWidth = TD.getPointerSizeInBits();
1887     APInt RelOffset(IntPtrWidth, BeginOffset - (IsDest ? MTO.DestBegin
1888                                                        : MTO.SourceBegin));
1889
1890     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1891     // a single value type, just emit a memcpy.
1892     bool EmitMemCpy
1893       = !VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1894                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1895                    !NewAI.getAllocatedType()->isSingleValueType());
1896
1897     // If we're just going to emit a memcpy, the alloca hasn't changed, and the
1898     // size hasn't been shrunk based on analysis of the viable range, this is
1899     // a no-op.
1900     if (EmitMemCpy && &OldAI == &NewAI) {
1901       uint64_t OrigBegin = IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin;
1902       uint64_t OrigEnd = IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd;
1903       // Ensure the start lines up.
1904       assert(BeginOffset == OrigBegin);
1905
1906       // Rewrite the size as needed.
1907       if (EndOffset != OrigEnd)
1908         II.setLength(ConstantInt::get(II.getLength()->getType(),
1909                                       EndOffset - BeginOffset));
1910       return false;
1911     }
1912     // Record this instruction for deletion.
1913     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1914       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1915
1916     bool IsVectorElement = VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1917                                      EndOffset < NewAllocaEndOffset);
1918
1919     Type *OtherPtrTy = IsDest ? II.getRawSource()->getType()
1920                               : II.getRawDest()->getType();
1921     if (!EmitMemCpy)
1922       OtherPtrTy = IsVectorElement ? VecTy->getElementType()->getPointerTo()
1923                                    : NewAI.getType();
1924
1925     // Compute the other pointer, folding as much as possible to produce
1926     // a single, simple GEP in most cases.
1927     Value *OtherPtr = IsDest ? II.getRawSource() : II.getRawDest();
1928     OtherPtr = getAdjustedPtr(IRB, TD, OtherPtr, RelOffset, OtherPtrTy,
1929                               getName("." + OtherPtr->getName()));
1930
1931     // Strip all inbounds GEPs and pointer casts to try to dig out any root
1932     // alloca that should be re-examined after rewriting this instruction.
1933     if (AllocaInst *AI
1934           = dyn_cast<AllocaInst>(OtherPtr->stripInBoundsOffsets()))
1935       Pass.Worklist.insert(AI);
1936
1937     if (EmitMemCpy) {
1938       Value *OurPtr
1939         = getAdjustedAllocaPtr(IRB, IsDest ? II.getRawDest()->getType()
1940                                            : II.getRawSource()->getType());
1941       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1942       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1943
1944       CallInst *New = IRB.CreateMemCpy(IsDest ? OurPtr : OtherPtr,
1945                                        IsDest ? OtherPtr : OurPtr,
1946                                        Size, II.getAlignment(),
1947                                        II.isVolatile());
1948       (void)New;
1949       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1950       return false;
1951     }
1952
1953     Value *SrcPtr = OtherPtr;
1954     Value *DstPtr = &NewAI;
1955     if (!IsDest)
1956       std::swap(SrcPtr, DstPtr);
1957
1958     Value *Src;
1959     if (IsVectorElement && !IsDest) {
1960       // We have to extract rather than load.
1961       Src = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(SrcPtr,
1962                                                     getName(".copyload")),
1963                                      getIndex(IRB, BeginOffset),
1964                                      getName(".copyextract"));
1965     } else {
1966       Src = IRB.CreateLoad(SrcPtr, II.isVolatile(), getName(".copyload"));
1967     }
1968
1969     if (IsVectorElement && IsDest) {
1970       // We have to insert into a loaded copy before storing.
1971       Src = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1972                                     Src, getIndex(IRB, BeginOffset),
1973                                     getName(".insert"));
1974     }
1975
1976     Value *Store = IRB.CreateStore(Src, DstPtr, II.isVolatile());
1977     (void)Store;
1978     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1979     return !II.isVolatile();
1980   }
1981
1982   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
1983     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
1984            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
1985     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1986     IRBuilder<> IRB(&II);
1987     assert(II.getArgOperand(1) == OldPtr);
1988
1989     // Record this instruction for deletion.
1990     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1991       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1992
1993     ConstantInt *Size
1994       = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(II.getArgOperand(0)->getType()),
1995                          EndOffset - BeginOffset);
1996     Value *Ptr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getArgOperand(1)->getType());
1997     Value *New;
1998     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
1999       New = IRB.CreateLifetimeStart(Ptr, Size);
2000     else
2001       New = IRB.CreateLifetimeEnd(Ptr, Size);
2002
2003     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2004     return true;
2005   }
2006
2007   /// PHI instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2008   /// rewritten to load both input pointers in the pred blocks and then PHI the
2009   /// results, allowing the load of the alloca to be promoted.
2010   /// From this:
2011   ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
2012   ///   %V = load i32* %P2
2013   /// to:
2014   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2015   ///   ...
2016   ///   %V2 = load i32* %Other
2017   ///   ...
2018   ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
2019   ///
2020   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2021   /// to the select can be loaded unconditionally.
2022   ///
2023   /// FIXME: This should be hoisted into a generic utility, likely in
2024   /// Transforms/Util/Local.h
2025   bool isSafePHIToSpeculate(PHINode &PN, SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2026     // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block
2027     // as the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
2028     // TODO: Allow recursive phi users.
2029     // TODO: Allow stores.
2030     BasicBlock *BB = PN.getParent();
2031     unsigned MaxAlign = 0;
2032     for (Value::use_iterator UI = PN.use_begin(), UE = PN.use_end();
2033          UI != UE; ++UI) {
2034       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2035       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2036
2037       // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is
2038       // a common case that happens when instcombine merges two loads through
2039       // a PHI.
2040       if (LI->getParent() != BB) return false;
2041
2042       // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
2043       // could store.
2044       for (BasicBlock::iterator BBI = &PN; &*BBI != LI; ++BBI)
2045         if (BBI->mayWriteToMemory())
2046           return false;
2047
2048       MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
2049       Loads.push_back(LI);
2050     }
2051
2052     // We can only transform this if it is safe to push the loads into the
2053     // predecessor blocks. The only thing to watch out for is that we can't put
2054     // a possibly trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
2055     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num;
2056          ++Idx) {
2057       TerminatorInst *TI = PN.getIncomingBlock(Idx)->getTerminator();
2058       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2059
2060       // If the value is produced by the terminator of the predecessor (an
2061       // invoke) or it has side-effects, there is no valid place to put a load
2062       // in the predecessor.
2063       if (TI == InVal || TI->mayHaveSideEffects())
2064         return false;
2065
2066       // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't
2067       // critical.
2068       if (TI->getNumSuccessors() == 1)
2069         continue;
2070
2071       // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there
2072       // is already a load in the block, then we can move the load to the pred
2073       // block.
2074       if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
2075           isSafeToLoadUnconditionally(InVal, TI, MaxAlign, &TD))
2076         continue;
2077
2078       return false;
2079     }
2080
2081     return true;
2082   }
2083
2084   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2085     DEBUG(dbgs() << "    original: " << PN << "\n");
2086     // We would like to compute a new pointer in only one place, but have it be
2087     // as local as possible to the PHI. To do that, we re-use the location of
2088     // the old pointer, which necessarily must be in the right position to
2089     // dominate the PHI.
2090     IRBuilder<> PtrBuilder(cast<Instruction>(OldPtr));
2091
2092     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2093     if (!isSafePHIToSpeculate(PN, Loads)) {
2094       Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2095       // Replace the operands which were using the old pointer.
2096       User::op_iterator OI = PN.op_begin(), OE = PN.op_end();
2097       for (; OI != OE; ++OI)
2098         if (*OI == OldPtr)
2099           *OI = NewPtr;
2100
2101       DEBUG(dbgs() << "          to: " << PN << "\n");
2102       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2103       return false;
2104     }
2105     assert(!Loads.empty());
2106
2107     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN.getType())->getElementType();
2108     IRBuilder<> PHIBuilder(&PN);
2109     PHINode *NewPN = PHIBuilder.CreatePHI(LoadTy, PN.getNumIncomingValues());
2110     NewPN->takeName(&PN);
2111
2112     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
2113     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
2114     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(Loads.back());
2115     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
2116     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
2117     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2118
2119     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
2120     do {
2121       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2122       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
2123       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2124     } while (!Loads.empty());
2125
2126     // Inject loads into all of the pred blocks.
2127     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num; ++Idx) {
2128       BasicBlock *Pred = PN.getIncomingBlock(Idx);
2129       TerminatorInst *TI = Pred->getTerminator();
2130       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2131       IRBuilder<> PredBuilder(TI);
2132
2133       // Map the value to the new alloca pointer if this was the old alloca
2134       // pointer.
2135       bool ThisOperand = InVal == OldPtr;
2136       if (ThisOperand)
2137         InVal = NewPtr;
2138
2139       LoadInst *Load
2140         = PredBuilder.CreateLoad(InVal, getName(".sroa.speculate." +
2141                                                 Pred->getName()));
2142       ++NumLoadsSpeculated;
2143       Load->setAlignment(Align);
2144       if (TBAATag)
2145         Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
2146       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
2147
2148       if (ThisOperand)
2149         continue;
2150       Instruction *OtherPtr = dyn_cast<Instruction>(InVal);
2151       if (!OtherPtr)
2152         // No uses to rewrite.
2153         continue;
2154
2155       // Try to lookup and rewrite any partition uses corresponding to this phi
2156       // input.
2157       AllocaPartitioning::iterator PI
2158         = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2159       if (PI != P.end()) {
2160         // If the other pointer is within the partitioning, replace the PHI in
2161         // its uses with the load we just speculated, or add another load for
2162         // it to rewrite if we've already replaced the PHI.
2163         AllocaPartitioning::use_iterator UI
2164           = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2165         if (isa<PHINode>(*UI->User))
2166           UI->User = Load;
2167         else {
2168           AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse = *UI;
2169           OtherUse.User = Load;
2170           P.use_insert(PI, std::upper_bound(UI, P.use_end(PI), OtherUse),
2171                        OtherUse);
2172         }
2173       }
2174     }
2175     DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *NewPN << "\n");
2176     return NewPtr == &NewAI;
2177   }
2178
2179   /// Select instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2180   /// rewritten to load both input pointers and then select between the result,
2181   /// allowing the load of the alloca to be promoted.
2182   /// From this:
2183   ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
2184   ///   %V = load i32* %P2
2185   /// to:
2186   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2187   ///   %V2 = load i32* %Other
2188   ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
2189   ///
2190   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2191   /// to the select can be loaded unconditionally.
2192   bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst &SI,
2193                                SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2194     Value *TValue = SI.getTrueValue();
2195     Value *FValue = SI.getFalseValue();
2196     bool TDerefable = TValue->isDereferenceablePointer();
2197     bool FDerefable = FValue->isDereferenceablePointer();
2198
2199     for (Value::use_iterator UI = SI.use_begin(), UE = SI.use_end();
2200          UI != UE; ++UI) {
2201       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2202       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2203
2204       // Both operands to the select need to be dereferencable, either
2205       // absolutely (e.g. allocas) or at this point because we can see other
2206       // accesses to it.
2207       if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(TValue, LI,
2208                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2209         return false;
2210       if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(FValue, LI,
2211                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2212         return false;
2213       Loads.push_back(LI);
2214     }
2215
2216     return true;
2217   }
2218
2219   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2220     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2221     IRBuilder<> IRB(&SI);
2222
2223     // Find the operand we need to rewrite here.
2224     bool IsTrueVal = SI.getTrueValue() == OldPtr;
2225     if (IsTrueVal)
2226       assert(SI.getFalseValue() != OldPtr && "Pointer is both operands!");
2227     else
2228       assert(SI.getFalseValue() == OldPtr && "Pointer isn't an operand!");
2229     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, OldPtr->getType());
2230
2231     // If the select isn't safe to speculate, just use simple logic to emit it.
2232     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2233     if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, Loads)) {
2234       SI.setOperand(IsTrueVal ? 1 : 2, NewPtr);
2235       DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2236       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2237       return false;
2238     }
2239
2240     Value *OtherPtr = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : SI.getTrueValue();
2241     AllocaPartitioning::iterator PI
2242       = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2243     AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse;
2244     if (PI != P.end()) {
2245       // If the other pointer is within the partitioning, remove the select
2246       // from its uses. We'll add in the new loads below.
2247       AllocaPartitioning::use_iterator UI
2248         = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2249       OtherUse = *UI;
2250       P.use_erase(PI, UI);
2251     }
2252
2253     Value *TV = IsTrueVal ? NewPtr : SI.getTrueValue();
2254     Value *FV = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : NewPtr;
2255     // Replace the loads of the select with a select of two loads.
2256     while (!Loads.empty()) {
2257       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2258
2259       IRB.SetInsertPoint(LI);
2260       LoadInst *TL =
2261         IRB.CreateLoad(TV, getName("." + LI->getName() + ".true"));
2262       LoadInst *FL =
2263         IRB.CreateLoad(FV, getName("." + LI->getName() + ".false"));
2264       NumLoadsSpeculated += 2;
2265       if (PI != P.end()) {
2266         LoadInst *OtherLoad = IsTrueVal ? FL : TL;
2267         assert(OtherUse.Ptr == OtherLoad->getOperand(0));
2268         OtherUse.User = OtherLoad;
2269         P.use_insert(PI, P.use_end(PI), OtherUse);
2270       }
2271
2272       // Transfer alignment and TBAA info if present.
2273       TL->setAlignment(LI->getAlignment());
2274       FL->setAlignment(LI->getAlignment());
2275       if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2276         TL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2277         FL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2278       }
2279
2280       Value *V = IRB.CreateSelect(SI.getCondition(), TL, FL);
2281       V->takeName(LI);
2282       DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *V << "\n");
2283       LI->replaceAllUsesWith(V);
2284       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2285     }
2286     if (PI != P.end())
2287       std::stable_sort(P.use_begin(PI), P.use_end(PI));
2288
2289     deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2290     return NewPtr == &NewAI;
2291   }
2292
2293 };
2294 }
2295
2296 /// \brief Try to find a partition of the aggregate type passed in for a given
2297 /// offset and size.
2298 ///
2299 /// This recurses through the aggregate type and tries to compute a subtype
2300 /// based on the offset and size. When the offset and size span a sub-section
2301 /// of an array, it will even compute a new array type for that sub-section.
2302 static Type *getTypePartition(const TargetData &TD, Type *Ty,
2303                               uint64_t Offset, uint64_t Size) {
2304   if (Offset == 0 && TD.getTypeAllocSize(Ty) == Size)
2305     return Ty;
2306
2307   if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
2308     // We can't partition pointers...
2309     if (SeqTy->isPointerTy())
2310       return 0;
2311
2312     Type *ElementTy = SeqTy->getElementType();
2313     uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2314     uint64_t NumSkippedElements = Offset / ElementSize;
2315     if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(SeqTy))
2316       if (NumSkippedElements >= ArrTy->getNumElements())
2317         return 0;
2318     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(SeqTy))
2319       if (NumSkippedElements >= VecTy->getNumElements())
2320         return 0;
2321     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
2322
2323     // First check if we need to recurse.
2324     if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2325       // Bail if the partition ends in a different array element.
2326       if ((Offset + Size) > ElementSize)
2327         return 0;
2328       // Recurse through the element type trying to peel off offset bytes.
2329       return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2330     }
2331     assert(Offset == 0);
2332
2333     if (Size == ElementSize)
2334       return ElementTy;
2335     assert(Size > ElementSize);
2336     uint64_t NumElements = Size / ElementSize;
2337     if (NumElements * ElementSize != Size)
2338       return 0;
2339     return ArrayType::get(ElementTy, NumElements);
2340   }
2341
2342   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
2343   if (!STy)
2344     return 0;
2345
2346   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2347   if (Offset > SL->getSizeInBytes())
2348     return 0;
2349   uint64_t EndOffset = Offset + Size;
2350   if (EndOffset > SL->getSizeInBytes())
2351     return 0;
2352
2353   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(Offset);
2354   if (SL->getElementOffset(Index) != Offset)
2355     return 0; // Inside of padding.
2356   Offset -= SL->getElementOffset(Index);
2357
2358   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
2359   uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2360   if (Offset >= ElementSize)
2361     return 0; // The offset points into alignment padding.
2362
2363   // See if any partition must be contained by the element.
2364   if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2365     if ((Offset + Size) > ElementSize)
2366       return 0;
2367     // Bail if this is a poniter element, we can't recurse through them.
2368     if (ElementTy->isPointerTy())
2369       return 0;
2370     return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2371   }
2372   assert(Offset == 0);
2373
2374   if (Size == ElementSize)
2375     return ElementTy;
2376
2377   StructType::element_iterator EI = STy->element_begin() + Index,
2378                                EE = STy->element_end();
2379   if (EndOffset < SL->getSizeInBytes()) {
2380     unsigned EndIndex = SL->getElementContainingOffset(EndOffset);
2381     if (Index == EndIndex)
2382       return 0; // Within a single element and its padding.
2383     assert(Index < EndIndex);
2384     assert(Index + EndIndex <= STy->getNumElements());
2385     EE = STy->element_begin() + EndIndex;
2386   }
2387
2388   // Try to build up a sub-structure.
2389   SmallVector<Type *, 4> ElementTys;
2390   do {
2391     ElementTys.push_back(*EI++);
2392   } while (EI != EE);
2393   StructType *SubTy = StructType::get(STy->getContext(), ElementTys,
2394                                       STy->isPacked());
2395   const StructLayout *SubSL = TD.getStructLayout(SubTy);
2396   if (Size == SubSL->getSizeInBytes())
2397     return SubTy;
2398
2399   // FIXME: We could potentially recurse down through the last element in the
2400   // sub-struct to find a natural end point.
2401   return 0;
2402 }
2403
2404 /// \brief Rewrite an alloca partition's users.
2405 ///
2406 /// This routine drives both of the rewriting goals of the SROA pass. It tries
2407 /// to rewrite uses of an alloca partition to be conducive for SSA value
2408 /// promotion. If the partition needs a new, more refined alloca, this will
2409 /// build that new alloca, preserving as much type information as possible, and
2410 /// rewrite the uses of the old alloca to point at the new one and have the
2411 /// appropriate new offsets. It also evaluates how successful the rewrite was
2412 /// at enabling promotion and if it was successful queues the alloca to be
2413 /// promoted.
2414 bool SROA::rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
2415                                   AllocaPartitioning &P,
2416                                   AllocaPartitioning::iterator PI) {
2417   uint64_t AllocaSize = PI->EndOffset - PI->BeginOffset;
2418   if (P.use_begin(PI) == P.use_end(PI))
2419     return false; // No live uses left of this partition.
2420
2421   // Try to compute a friendly type for this partition of the alloca. This
2422   // won't always succeed, in which case we fall back to a legal integer type
2423   // or an i8 array of an appropriate size.
2424   Type *AllocaTy = 0;
2425   if (Type *PartitionTy = P.getCommonType(PI))
2426     if (TD->getTypeAllocSize(PartitionTy) >= AllocaSize)
2427       AllocaTy = PartitionTy;
2428   if (!AllocaTy)
2429     if (Type *PartitionTy = getTypePartition(*TD, AI.getAllocatedType(),
2430                                              PI->BeginOffset, AllocaSize))
2431       AllocaTy = PartitionTy;
2432   if ((!AllocaTy ||
2433        (AllocaTy->isArrayTy() &&
2434         AllocaTy->getArrayElementType()->isIntegerTy())) &&
2435       TD->isLegalInteger(AllocaSize * 8))
2436     AllocaTy = Type::getIntNTy(*C, AllocaSize * 8);
2437   if (!AllocaTy)
2438     AllocaTy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(*C), AllocaSize);
2439
2440   // Check for the case where we're going to rewrite to a new alloca of the
2441   // exact same type as the original, and with the same access offsets. In that
2442   // case, re-use the existing alloca, but still run through the rewriter to
2443   // performe phi and select speculation.
2444   AllocaInst *NewAI;
2445   if (AllocaTy == AI.getAllocatedType()) {
2446     assert(PI->BeginOffset == 0 &&
2447            "Non-zero begin offset but same alloca type");
2448     assert(PI == P.begin() && "Begin offset is zero on later partition");
2449     NewAI = &AI;
2450   } else {
2451     // FIXME: The alignment here is overly conservative -- we could in many
2452     // cases get away with much weaker alignment constraints.
2453     NewAI = new AllocaInst(AllocaTy, 0, AI.getAlignment(),
2454                            AI.getName() + ".sroa." + Twine(PI - P.begin()),
2455                            &AI);
2456     ++NumNewAllocas;
2457   }
2458
2459   DEBUG(dbgs() << "Rewriting alloca partition "
2460                << "[" << PI->BeginOffset << "," << PI->EndOffset << ") to: "
2461                << *NewAI << "\n");
2462
2463   AllocaPartitionRewriter Rewriter(*TD, P, PI, *this, AI, *NewAI,
2464                                    PI->BeginOffset, PI->EndOffset);
2465   DEBUG(dbgs() << "  rewriting ");
2466   DEBUG(P.print(dbgs(), PI, ""));
2467   if (Rewriter.visitUsers(P.use_begin(PI), P.use_end(PI))) {
2468     DEBUG(dbgs() << "  and queuing for promotion\n");
2469     PromotableAllocas.push_back(NewAI);
2470   } else if (NewAI != &AI) {
2471     // If we can't promote the alloca, iterate on it to check for new
2472     // refinements exposed by splitting the current alloca. Don't iterate on an
2473     // alloca which didn't actually change and didn't get promoted.
2474     Worklist.insert(NewAI);
2475   }
2476   return true;
2477 }
2478
2479 /// \brief Walks the partitioning of an alloca rewriting uses of each partition.
2480 bool SROA::splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P) {
2481   bool Changed = false;
2482   for (AllocaPartitioning::iterator PI = P.begin(), PE = P.end(); PI != PE;
2483        ++PI)
2484     Changed |= rewriteAllocaPartition(AI, P, PI);
2485
2486   return Changed;
2487 }
2488
2489 /// \brief Analyze an alloca for SROA.
2490 ///
2491 /// This analyzes the alloca to ensure we can reason about it, builds
2492 /// a partitioning of the alloca, and then hands it off to be split and
2493 /// rewritten as needed.
2494 bool SROA::runOnAlloca(AllocaInst &AI) {
2495   DEBUG(dbgs() << "SROA alloca: " << AI << "\n");
2496   ++NumAllocasAnalyzed;
2497
2498   // Special case dead allocas, as they're trivial.
2499   if (AI.use_empty()) {
2500     AI.eraseFromParent();
2501     return true;
2502   }
2503
2504   // Skip alloca forms that this analysis can't handle.
2505   if (AI.isArrayAllocation() || !AI.getAllocatedType()->isSized() ||
2506       TD->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0)
2507     return false;
2508
2509   // First check if this is a non-aggregate type that we should simply promote.
2510   if (!AI.getAllocatedType()->isAggregateType() && isAllocaPromotable(&AI)) {
2511     DEBUG(dbgs() << "  Trivially scalar type, queuing for promotion...\n");
2512     PromotableAllocas.push_back(&AI);
2513     return false;
2514   }
2515
2516   // Build the partition set using a recursive instruction-visiting builder.
2517   AllocaPartitioning P(*TD, AI);
2518   DEBUG(P.print(dbgs()));
2519   if (P.isEscaped())
2520     return false;
2521
2522   // No partitions to split. Leave the dead alloca for a later pass to clean up.
2523   if (P.begin() == P.end())
2524     return false;
2525
2526   // Delete all the dead users of this alloca before splitting and rewriting it.
2527   bool Changed = false;
2528   for (AllocaPartitioning::dead_user_iterator DI = P.dead_user_begin(),
2529                                               DE = P.dead_user_end();
2530        DI != DE; ++DI) {
2531     Changed = true;
2532     (*DI)->replaceAllUsesWith(UndefValue::get((*DI)->getType()));
2533     DeadInsts.push_back(*DI);
2534   }
2535   for (AllocaPartitioning::dead_op_iterator DO = P.dead_op_begin(),
2536                                             DE = P.dead_op_end();
2537        DO != DE; ++DO) {
2538     Value *OldV = **DO;
2539     // Clobber the use with an undef value.
2540     **DO = UndefValue::get(OldV->getType());
2541     if (Instruction *OldI = dyn_cast<Instruction>(OldV))
2542       if (isInstructionTriviallyDead(OldI)) {
2543         Changed = true;
2544         DeadInsts.push_back(OldI);
2545       }
2546   }
2547
2548   return splitAlloca(AI, P) || Changed;
2549 }
2550
2551 void SROA::deleteDeadInstructions() {
2552   DeadSplitInsts.clear();
2553   while (!DeadInsts.empty()) {
2554     Instruction *I = DeadInsts.pop_back_val();
2555     DEBUG(dbgs() << "Deleting dead instruction: " << *I << "\n");
2556
2557     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
2558       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2559         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
2560         *OI = 0;
2561         if (isInstructionTriviallyDead(U))
2562           DeadInsts.push_back(U);
2563       }
2564
2565     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2566       DeletedAllocas.insert(AI);
2567
2568     ++NumDeleted;
2569     I->eraseFromParent();
2570   }
2571 }
2572
2573 namespace {
2574   /// \brief A predicate to test whether an alloca belongs to a set.
2575   class IsAllocaInSet {
2576     typedef SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> SetType;
2577     const SetType &Set;
2578
2579   public:
2580     IsAllocaInSet(const SetType &Set) : Set(Set) {}
2581     bool operator()(AllocaInst *AI) { return Set.count(AI); }
2582   };
2583 }
2584
2585 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
2586   DEBUG(dbgs() << "SROA function: " << F.getName() << "\n");
2587   C = &F.getContext();
2588   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
2589   if (!TD) {
2590     DEBUG(dbgs() << "  Skipping SROA -- no target data!\n");
2591     return false;
2592   }
2593   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2594
2595   BasicBlock &EntryBB = F.getEntryBlock();
2596   for (BasicBlock::iterator I = EntryBB.begin(), E = llvm::prior(EntryBB.end());
2597        I != E; ++I)
2598     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2599       Worklist.insert(AI);
2600
2601   bool Changed = false;
2602   while (!Worklist.empty()) {
2603     Changed |= runOnAlloca(*Worklist.pop_back_val());
2604     deleteDeadInstructions();
2605     if (!DeletedAllocas.empty()) {
2606       PromotableAllocas.erase(std::remove_if(PromotableAllocas.begin(),
2607                                              PromotableAllocas.end(),
2608                                              IsAllocaInSet(DeletedAllocas)),
2609                               PromotableAllocas.end());
2610       DeletedAllocas.clear();
2611     }
2612   }
2613
2614   if (!PromotableAllocas.empty()) {
2615     DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with mem2reg...\n");
2616     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, *DT);
2617     Changed = true;
2618     NumPromoted += PromotableAllocas.size();
2619     PromotableAllocas.clear();
2620   }
2621
2622   return Changed;
2623 }
2624
2625 void SROA::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2626   AU.addRequired<DominatorTree>();
2627   AU.setPreservesCFG();
2628 }