Add a comment about debug intrinsics that I *really* don't want to
[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 to 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 a 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 splittable 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 uses 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 expressions 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 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
291   void print(raw_ostream &OS, const_iterator I, StringRef Indent = "  ") const;
292   void printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
293                   StringRef Indent = "  ") const;
294   void print(raw_ostream &OS) const;
295   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump(const_iterator I) const;
296   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump() const;
297 #endif
298
299 private:
300   template <typename DerivedT, typename RetT = void> class BuilderBase;
301   class PartitionBuilder;
302   friend class AllocaPartitioning::PartitionBuilder;
303   class UseBuilder;
304   friend class AllocaPartitioning::UseBuilder;
305
306   /// \brief Handle to alloca instruction to simplify method interfaces.
307   AllocaInst &AI;
308
309   /// \brief The instruction responsible for this alloca having no partitioning.
310   ///
311   /// When an instruction (potentially) escapes the pointer to the alloca, we
312   /// store a pointer to that here and abort trying to partition the alloca.
313   /// This will be null if the alloca is partitioned successfully.
314   Instruction *PointerEscapingInstr;
315
316   /// \brief The partitions of the alloca.
317   ///
318   /// We store a vector of the partitions over the alloca here. This vector is
319   /// sorted by increasing begin offset, and then by decreasing end offset. See
320   /// the Partition inner class for more details. Initially (during
321   /// construction) there are overlaps, but we form a disjoint sequence of
322   /// partitions while finishing construction and a fully constructed object is
323   /// expected to always have this as a disjoint space.
324   SmallVector<Partition, 8> Partitions;
325
326   /// \brief The uses of the partitions.
327   ///
328   /// This is essentially a mapping from each partition to a list of uses of
329   /// that partition. The mapping is done with a Uses vector that has the exact
330   /// same number of entries as the partition vector. Each entry is itself
331   /// a vector of the uses.
332   SmallVector<SmallVector<PartitionUse, 2>, 8> Uses;
333
334   /// \brief Instructions which will become dead if we rewrite the alloca.
335   ///
336   /// Note that these are not separated by partition. This is because we expect
337   /// a partitioned alloca to be completely rewritten or not rewritten at all.
338   /// If rewritten, all these instructions can simply be removed and replaced
339   /// with undef as they come from outside of the allocated space.
340   SmallVector<Instruction *, 8> DeadUsers;
341
342   /// \brief Operands which will become dead if we rewrite the alloca.
343   ///
344   /// These are operands that in their particular use can be replaced with
345   /// undef when we rewrite the alloca. These show up in out-of-bounds inputs
346   /// to PHI nodes and the like. They aren't entirely dead (there might be
347   /// a GEP back into the bounds using it elsewhere) and nor is the PHI, but we
348   /// want to swap this particular input for undef to simplify the use lists of
349   /// the alloca.
350   SmallVector<Use *, 8> DeadOperands;
351
352   /// \brief The underlying storage for auxiliary memcpy and memset info.
353   SmallDenseMap<MemTransferInst *, MemTransferOffsets, 4> MemTransferInstData;
354
355   /// \brief A side datastructure used when building up the partitions and uses.
356   ///
357   /// This mapping is only really used during the initial building of the
358   /// partitioning so that we can retain information about PHI and select nodes
359   /// processed.
360   SmallDenseMap<Instruction *, std::pair<uint64_t, bool> > PHIOrSelectSizes;
361
362   /// \brief Auxiliary information for particular PHI or select operands.
363   SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
364                 std::pair<unsigned, unsigned>, 4> PHIOrSelectOpMap;
365
366   /// \brief A utility routine called from the constructor.
367   ///
368   /// This does what it says on the tin. It is the key of the alloca partition
369   /// splitting and merging. After it is called we have the desired disjoint
370   /// collection of partitions.
371   void splitAndMergePartitions();
372 };
373 }
374
375 template <typename DerivedT, typename RetT>
376 class AllocaPartitioning::BuilderBase
377     : public InstVisitor<DerivedT, RetT> {
378 public:
379   BuilderBase(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
380       : TD(TD),
381         AllocSize(TD.getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType())),
382         P(P) {
383     enqueueUsers(AI, 0);
384   }
385
386 protected:
387   const TargetData &TD;
388   const uint64_t AllocSize;
389   AllocaPartitioning &P;
390
391   struct OffsetUse {
392     Use *U;
393     uint64_t Offset;
394   };
395   SmallVector<OffsetUse, 8> Queue;
396
397   // The active offset and use while visiting.
398   Use *U;
399   uint64_t Offset;
400
401   void enqueueUsers(Instruction &I, uint64_t UserOffset) {
402     SmallPtrSet<User *, 8> UserSet;
403     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
404          UI != UE; ++UI) {
405       if (!UserSet.insert(*UI))
406         continue;
407
408       OffsetUse OU = { &UI.getUse(), UserOffset };
409       Queue.push_back(OU);
410     }
411   }
412
413   bool computeConstantGEPOffset(GetElementPtrInst &GEPI, uint64_t &GEPOffset) {
414     GEPOffset = Offset;
415     for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEPI), GTE = gep_type_end(GEPI);
416          GTI != GTE; ++GTI) {
417       ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
418       if (!OpC)
419         return false;
420       if (OpC->isZero())
421         continue;
422
423       // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
424       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
425         unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
426         const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
427         GEPOffset += SL->getElementOffset(ElementIdx);
428         continue;
429       }
430
431       GEPOffset
432         += OpC->getZExtValue() * TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
433     }
434     return true;
435   }
436
437   Value *foldSelectInst(SelectInst &SI) {
438     // If the condition being selected on is a constant or the same value is
439     // being selected between, fold the select. Yes this does (rarely) happen
440     // early on.
441     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI.getCondition()))
442       return SI.getOperand(1+CI->isZero());
443     if (SI.getOperand(1) == SI.getOperand(2)) {
444       assert(*U == SI.getOperand(1));
445       return SI.getOperand(1);
446     }
447     return 0;
448   }
449 };
450
451 /// \brief Builder for the alloca partitioning.
452 ///
453 /// This class builds an alloca partitioning by recursively visiting the uses
454 /// of an alloca and splitting the partitions for each load and store at each
455 /// offset.
456 class AllocaPartitioning::PartitionBuilder
457     : public BuilderBase<PartitionBuilder, bool> {
458   friend class InstVisitor<PartitionBuilder, bool>;
459
460   SmallDenseMap<Instruction *, unsigned> MemTransferPartitionMap;
461
462 public:
463   PartitionBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
464       : BuilderBase<PartitionBuilder, bool>(TD, AI, P) {}
465
466   /// \brief Run the builder over the allocation.
467   bool operator()() {
468     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
469     // the queue grows at the tail.
470     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
471       U = Queue[Idx].U;
472       Offset = Queue[Idx].Offset;
473       if (!visit(cast<Instruction>(U->getUser())))
474         return false;
475     }
476     return true;
477   }
478
479 private:
480   bool markAsEscaping(Instruction &I) {
481     P.PointerEscapingInstr = &I;
482     return false;
483   }
484
485   void insertUse(Instruction &I, uint64_t Size, bool IsSplittable = false) {
486     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
487
488     // Completely skip uses which start outside of the allocation.
489     if (BeginOffset >= AllocSize) {
490       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte use @" << Offset
491                    << " which starts past the end of the " << AllocSize
492                    << " byte alloca:\n"
493                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
494                    << "       use: " << I << "\n");
495       return;
496     }
497
498     // Clamp the size to the allocation.
499     if (EndOffset > AllocSize) {
500       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
501                    << " to remain within the " << AllocSize << " byte alloca:\n"
502                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
503                    << "       use: " << I << "\n");
504       EndOffset = AllocSize;
505     }
506
507     // See if we can just add a user onto the last slot currently occupied.
508     if (!P.Partitions.empty() &&
509         P.Partitions.back().BeginOffset == BeginOffset &&
510         P.Partitions.back().EndOffset == EndOffset) {
511       P.Partitions.back().IsSplittable &= IsSplittable;
512       return;
513     }
514
515     Partition New(BeginOffset, EndOffset, IsSplittable);
516     P.Partitions.push_back(New);
517   }
518
519   bool handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
520     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
521
522     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
523     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
524     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
525     // behavior of insertUse. We also try to handle cases which might run the
526     // risk of overflow.
527     // FIXME: We should instead consider the pointer to have escaped if this
528     // function is being instrumented for addressing bugs or race conditions.
529     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize) {
530       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte "
531                    << (isa<LoadInst>(I) ? "load" : "store") << " @" << Offset
532                    << " which extends past the end of the " << AllocSize
533                    << " byte alloca:\n"
534                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
535                    << "       use: " << I << "\n");
536       return true;
537     }
538
539     insertUse(I, Size);
540     return true;
541   }
542
543   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
544     enqueueUsers(BC, Offset);
545     return true;
546   }
547
548   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
549     uint64_t GEPOffset;
550     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
551       return markAsEscaping(GEPI);
552
553     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
554     return true;
555   }
556
557   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
558     return handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
559   }
560
561   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
562     if (SI.getOperand(0) == *U)
563       return markAsEscaping(SI);
564
565     return handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
566   }
567
568
569   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
570     assert(II.getRawDest() == *U && "Pointer use is not the destination?");
571     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
572     insertUse(II, Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, Length);
573     return true;
574   }
575
576   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
577     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
578     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
579     if (!Size)
580       // Zero-length mem transfer intrinsics can be ignored entirely.
581       return true;
582
583     MemTransferOffsets &Offsets = P.MemTransferInstData[&II];
584
585     // Only intrinsics with a constant length can be split.
586     Offsets.IsSplittable = Length;
587
588     if (*U != II.getRawDest()) {
589       assert(*U == II.getRawSource());
590       Offsets.SourceBegin = Offset;
591       Offsets.SourceEnd = Offset + Size;
592     } else {
593       Offsets.DestBegin = Offset;
594       Offsets.DestEnd = Offset + Size;
595     }
596
597     insertUse(II, Size, Offsets.IsSplittable);
598     unsigned NewIdx = P.Partitions.size() - 1;
599
600     SmallDenseMap<Instruction *, unsigned>::const_iterator PMI;
601     bool Inserted = false;
602     llvm::tie(PMI, Inserted)
603       = MemTransferPartitionMap.insert(std::make_pair(&II, NewIdx));
604     if (!Inserted && Offsets.IsSplittable) {
605       // We've found a memory transfer intrinsic which refers to the alloca as
606       // both a source and dest. We refuse to split these to simplify splitting
607       // logic. If possible, SROA will still split them into separate allocas
608       // and then re-analyze.
609       Offsets.IsSplittable = false;
610       P.Partitions[PMI->second].IsSplittable = false;
611       P.Partitions[NewIdx].IsSplittable = false;
612     }
613
614     return true;
615   }
616
617   // Disable SRoA for any intrinsics except for lifetime invariants.
618   // FIXME: What about debug instrinsics? This matches old behavior, but
619   // doesn't make sense.
620   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
621     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
622         II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
623       ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
624       uint64_t Size = std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue());
625       insertUse(II, Size, true);
626       return true;
627     }
628
629     return markAsEscaping(II);
630   }
631
632   Instruction *hasUnsafePHIOrSelectUse(Instruction *Root, uint64_t &Size) {
633     // We consider any PHI or select that results in a direct load or store of
634     // the same offset to be a viable use for partitioning purposes. These uses
635     // are considered unsplittable and the size is the maximum loaded or stored
636     // size.
637     SmallPtrSet<Instruction *, 4> Visited;
638     SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 4> Uses;
639     Visited.insert(Root);
640     Uses.push_back(std::make_pair(cast<Instruction>(*U), Root));
641     do {
642       Instruction *I, *UsedI;
643       llvm::tie(UsedI, I) = Uses.pop_back_val();
644
645       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
646         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(LI->getType()));
647         continue;
648       }
649       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
650         Value *Op = SI->getOperand(0);
651         if (Op == UsedI)
652           return SI;
653         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(Op->getType()));
654         continue;
655       }
656
657       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
658         if (!GEP->hasAllZeroIndices())
659           return GEP;
660       } else if (!isa<BitCastInst>(I) && !isa<PHINode>(I) &&
661                  !isa<SelectInst>(I)) {
662         return I;
663       }
664
665       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end(); UI != UE;
666            ++UI)
667         if (Visited.insert(cast<Instruction>(*UI)))
668           Uses.push_back(std::make_pair(I, cast<Instruction>(*UI)));
669     } while (!Uses.empty());
670
671     return 0;
672   }
673
674   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
675     // See if we already have computed info on this node.
676     std::pair<uint64_t, bool> &PHIInfo = P.PHIOrSelectSizes[&PN];
677     if (PHIInfo.first) {
678       PHIInfo.second = true;
679       insertUse(PN, PHIInfo.first);
680       return true;
681     }
682
683     // Check for an unsafe use of the PHI node.
684     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&PN, PHIInfo.first))
685       return markAsEscaping(*EscapingI);
686
687     insertUse(PN, PHIInfo.first);
688     return true;
689   }
690
691   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
692     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
693       if (Result == *U)
694         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
695         // through the select as if we had RAUW'ed it.
696         enqueueUsers(SI, Offset);
697
698       return true;
699     }
700
701     // See if we already have computed info on this node.
702     std::pair<uint64_t, bool> &SelectInfo = P.PHIOrSelectSizes[&SI];
703     if (SelectInfo.first) {
704       SelectInfo.second = true;
705       insertUse(SI, SelectInfo.first);
706       return true;
707     }
708
709     // Check for an unsafe use of the PHI node.
710     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&SI, SelectInfo.first))
711       return markAsEscaping(*EscapingI);
712
713     insertUse(SI, SelectInfo.first);
714     return true;
715   }
716
717   /// \brief Disable SROA entirely if there are unhandled users of the alloca.
718   bool visitInstruction(Instruction &I) { return markAsEscaping(I); }
719 };
720
721
722 /// \brief Use adder for the alloca partitioning.
723 ///
724 /// This class adds the uses of an alloca to all of the partitions which they
725 /// use. For splittable partitions, this can end up doing essentially a linear
726 /// walk of the partitions, but the number of steps remains bounded by the
727 /// total result instruction size:
728 /// - The number of partitions is a result of the number unsplittable
729 ///   instructions using the alloca.
730 /// - The number of users of each partition is at worst the total number of
731 ///   splittable instructions using the alloca.
732 /// Thus we will produce N * M instructions in the end, where N are the number
733 /// of unsplittable uses and M are the number of splittable. This visitor does
734 /// the exact same number of updates to the partitioning.
735 ///
736 /// In the more common case, this visitor will leverage the fact that the
737 /// partition space is pre-sorted, and do a logarithmic search for the
738 /// partition needed, making the total visit a classical ((N + M) * log(N))
739 /// complexity operation.
740 class AllocaPartitioning::UseBuilder : public BuilderBase<UseBuilder> {
741   friend class InstVisitor<UseBuilder>;
742
743   /// \brief Set to de-duplicate dead instructions found in the use walk.
744   SmallPtrSet<Instruction *, 4> VisitedDeadInsts;
745
746 public:
747   UseBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
748       : BuilderBase<UseBuilder>(TD, AI, P) {}
749
750   /// \brief Run the builder over the allocation.
751   void operator()() {
752     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
753     // the queue grows at the tail.
754     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
755       U = Queue[Idx].U;
756       Offset = Queue[Idx].Offset;
757       this->visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
758     }
759   }
760
761 private:
762   void markAsDead(Instruction &I) {
763     if (VisitedDeadInsts.insert(&I))
764       P.DeadUsers.push_back(&I);
765   }
766
767   void insertUse(uint64_t Size, Instruction &User) {
768     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
769
770     // If the use extends outside of the allocation, record it as a dead use
771     // for elimination later.
772     if (BeginOffset >= AllocSize || Size == 0)
773       return markAsDead(User);
774
775     // Bound the use by the size of the allocation.
776     if (EndOffset > AllocSize)
777       EndOffset = AllocSize;
778
779     // NB: This only works if we have zero overlapping partitions.
780     iterator B = std::lower_bound(P.begin(), P.end(), BeginOffset);
781     if (B != P.begin() && llvm::prior(B)->EndOffset > BeginOffset)
782       B = llvm::prior(B);
783     for (iterator I = B, E = P.end(); I != E && I->BeginOffset < EndOffset;
784          ++I) {
785       PartitionUse NewUse(std::max(I->BeginOffset, BeginOffset),
786                           std::min(I->EndOffset, EndOffset),
787                           &User, cast<Instruction>(*U));
788       P.Uses[I - P.begin()].push_back(NewUse);
789       if (isa<PHINode>(U->getUser()) || isa<SelectInst>(U->getUser()))
790         P.PHIOrSelectOpMap[std::make_pair(&User, U->get())]
791           = std::make_pair(I - P.begin(), P.Uses[I - P.begin()].size() - 1);
792     }
793   }
794
795   void handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
796     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
797
798     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
799     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
800     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
801     // behavior of insertUse.
802     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize)
803       return markAsDead(I);
804
805     insertUse(Size, I);
806   }
807
808   void visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
809     if (BC.use_empty())
810       return markAsDead(BC);
811
812     enqueueUsers(BC, Offset);
813   }
814
815   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
816     if (GEPI.use_empty())
817       return markAsDead(GEPI);
818
819     uint64_t GEPOffset;
820     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
821       llvm_unreachable("Unable to compute constant offset for use");
822
823     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
824   }
825
826   void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
827     handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
828   }
829
830   void visitStoreInst(StoreInst &SI) {
831     handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
832   }
833
834   void visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
835     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
836     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
837   }
838
839   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
840     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
841     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
842   }
843
844   void visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
845     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
846            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
847
848     ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
849     insertUse(std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue()), II);
850   }
851
852   void insertPHIOrSelect(Instruction &User) {
853     uint64_t Size = P.PHIOrSelectSizes.lookup(&User).first;
854
855     // For PHI and select operands outside the alloca, we can't nuke the entire
856     // phi or select -- the other side might still be relevant, so we special
857     // case them here and use a separate structure to track the operands
858     // themselves which should be replaced with undef.
859     if (Offset >= AllocSize) {
860       P.DeadOperands.push_back(U);
861       return;
862     }
863
864     insertUse(Size, User);
865   }
866   void visitPHINode(PHINode &PN) {
867     if (PN.use_empty())
868       return markAsDead(PN);
869
870     insertPHIOrSelect(PN);
871   }
872   void visitSelectInst(SelectInst &SI) {
873     if (SI.use_empty())
874       return markAsDead(SI);
875
876     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
877       if (Result == *U)
878         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
879         // through the select as if we had RAUW'ed it.
880         enqueueUsers(SI, Offset);
881
882       return;
883     }
884
885     insertPHIOrSelect(SI);
886   }
887
888   /// \brief Unreachable, we've already visited the alloca once.
889   void visitInstruction(Instruction &I) {
890     llvm_unreachable("Unhandled instruction in use builder.");
891   }
892 };
893
894 void AllocaPartitioning::splitAndMergePartitions() {
895   size_t NumDeadPartitions = 0;
896
897   // Track the range of splittable partitions that we pass when accumulating
898   // overlapping unsplittable partitions.
899   uint64_t SplitEndOffset = 0ull;
900
901   Partition New(0ull, 0ull, false);
902
903   for (unsigned i = 0, j = i, e = Partitions.size(); i != e; i = j) {
904     ++j;
905
906     if (!Partitions[i].IsSplittable || New.BeginOffset == New.EndOffset) {
907       assert(New.BeginOffset == New.EndOffset);
908       New = Partitions[i];
909     } else {
910       assert(New.IsSplittable);
911       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[i].EndOffset);
912     }
913     assert(New.BeginOffset != New.EndOffset);
914
915     // Scan the overlapping partitions.
916     while (j != e && New.EndOffset > Partitions[j].BeginOffset) {
917       // If the new partition we are forming is splittable, stop at the first
918       // unsplittable partition.
919       if (New.IsSplittable && !Partitions[j].IsSplittable)
920         break;
921
922       // Grow the new partition to include any equally splittable range. 'j' is
923       // always equally splittable when New is splittable, but when New is not
924       // splittable, we may subsume some (or part of some) splitable partition
925       // without growing the new one.
926       if (New.IsSplittable == Partitions[j].IsSplittable) {
927         New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[j].EndOffset);
928       } else {
929         assert(!New.IsSplittable);
930         assert(Partitions[j].IsSplittable);
931         SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, Partitions[j].EndOffset);
932       }
933
934       Partitions[j].BeginOffset = Partitions[j].EndOffset = UINT64_MAX;
935       ++NumDeadPartitions;
936       ++j;
937     }
938
939     // If the new partition is splittable, chop off the end as soon as the
940     // unsplittable subsequent partition starts and ensure we eventually cover
941     // the splittable area.
942     if (j != e && New.IsSplittable) {
943       SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, New.EndOffset);
944       New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
945     }
946
947     // Add the new partition if it differs from the original one and is
948     // non-empty. We can end up with an empty partition here if it was
949     // splittable but there is an unsplittable one that starts at the same
950     // offset.
951     if (New != Partitions[i]) {
952       if (New.BeginOffset != New.EndOffset)
953         Partitions.push_back(New);
954       // Mark the old one for removal.
955       Partitions[i].BeginOffset = Partitions[i].EndOffset = UINT64_MAX;
956       ++NumDeadPartitions;
957     }
958
959     New.BeginOffset = New.EndOffset;
960     if (!New.IsSplittable) {
961       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, SplitEndOffset);
962       if (j != e && !Partitions[j].IsSplittable)
963         New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
964       New.IsSplittable = true;
965       // If there is a trailing splittable partition which won't be fused into
966       // the next splittable partition go ahead and add it onto the partitions
967       // list.
968       if (New.BeginOffset < New.EndOffset &&
969           (j == e || !Partitions[j].IsSplittable ||
970            New.EndOffset < Partitions[j].BeginOffset)) {
971         Partitions.push_back(New);
972         New.BeginOffset = New.EndOffset = 0ull;
973       }
974     }
975   }
976
977   // Re-sort the partitions now that they have been split and merged into
978   // disjoint set of partitions. Also remove any of the dead partitions we've
979   // replaced in the process.
980   std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
981   if (NumDeadPartitions) {
982     assert(Partitions.back().BeginOffset == UINT64_MAX);
983     assert(Partitions.back().EndOffset == UINT64_MAX);
984     assert((ptrdiff_t)NumDeadPartitions ==
985            std::count(Partitions.begin(), Partitions.end(), Partitions.back()));
986   }
987   Partitions.erase(Partitions.end() - NumDeadPartitions, Partitions.end());
988 }
989
990 AllocaPartitioning::AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI)
991     : AI(AI), PointerEscapingInstr(0) {
992   PartitionBuilder PB(TD, AI, *this);
993   if (!PB())
994     return;
995
996   if (Partitions.size() > 1) {
997     // Sort the uses. This arranges for the offsets to be in ascending order,
998     // and the sizes to be in descending order.
999     std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1000
1001     // Intersect splittability for all partitions with equal offsets and sizes.
1002     // Then remove all but the first so that we have a sequence of non-equal but
1003     // potentially overlapping partitions.
1004     for (iterator I = Partitions.begin(), J = I, E = Partitions.end(); I != E;
1005          I = J) {
1006       ++J;
1007       while (J != E && *I == *J) {
1008         I->IsSplittable &= J->IsSplittable;
1009         ++J;
1010       }
1011     }
1012     Partitions.erase(std::unique(Partitions.begin(), Partitions.end()),
1013                      Partitions.end());
1014
1015     // Split splittable and merge unsplittable partitions into a disjoint set
1016     // of partitions over the used space of the allocation.
1017     splitAndMergePartitions();
1018   }
1019
1020   // Now build up the user lists for each of these disjoint partitions by
1021   // re-walking the recursive users of the alloca.
1022   Uses.resize(Partitions.size());
1023   UseBuilder UB(TD, AI, *this);
1024   UB();
1025   for (iterator I = Partitions.begin(), E = Partitions.end(); I != E; ++I)
1026     std::stable_sort(use_begin(I), use_end(I));
1027 }
1028
1029 Type *AllocaPartitioning::getCommonType(iterator I) const {
1030   Type *Ty = 0;
1031   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I); UI != UE; ++UI) {
1032     if (isa<MemIntrinsic>(*UI->User))
1033       continue;
1034     if (UI->BeginOffset != I->BeginOffset || UI->EndOffset != I->EndOffset)
1035       break;
1036
1037     Type *UserTy = 0;
1038     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*UI->User)) {
1039       UserTy = LI->getType();
1040     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*UI->User)) {
1041       UserTy = SI->getValueOperand()->getType();
1042     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(&*UI->User)) {
1043       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(SI->getType()))
1044         UserTy = PtrTy->getElementType();
1045     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&*UI->User)) {
1046       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(PN->getType()))
1047         UserTy = PtrTy->getElementType();
1048     }
1049
1050     if (Ty && Ty != UserTy)
1051       return 0;
1052
1053     Ty = UserTy;
1054   }
1055   return Ty;
1056 }
1057
1058 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1059
1060 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1061                                StringRef Indent) const {
1062   OS << Indent << "partition #" << (I - begin())
1063      << " [" << I->BeginOffset << "," << I->EndOffset << ")"
1064      << (I->IsSplittable ? " (splittable)" : "")
1065      << (Uses[I - begin()].empty() ? " (zero uses)" : "")
1066      << "\n";
1067 }
1068
1069 void AllocaPartitioning::printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1070                                     StringRef Indent) const {
1071   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I);
1072        UI != UE; ++UI) {
1073     OS << Indent << "  [" << UI->BeginOffset << "," << UI->EndOffset << ") "
1074        << "used by: " << *UI->User << "\n";
1075     if (MemTransferInst *II = dyn_cast<MemTransferInst>(&*UI->User)) {
1076       const MemTransferOffsets &MTO = MemTransferInstData.lookup(II);
1077       bool IsDest;
1078       if (!MTO.IsSplittable)
1079         IsDest = UI->BeginOffset == MTO.DestBegin;
1080       else
1081         IsDest = MTO.DestBegin != 0u;
1082       OS << Indent << "    (original " << (IsDest ? "dest" : "source") << ": "
1083          << "[" << (IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin)
1084          << "," << (IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd) << ")\n";
1085     }
1086   }
1087 }
1088
1089 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS) const {
1090   if (PointerEscapingInstr) {
1091     OS << "No partitioning for alloca: " << AI << "\n"
1092        << "  A pointer to this alloca escaped by:\n"
1093        << "  " << *PointerEscapingInstr << "\n";
1094     return;
1095   }
1096
1097   OS << "Partitioning of alloca: " << AI << "\n";
1098   unsigned Num = 0;
1099   for (const_iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I, ++Num) {
1100     print(OS, I);
1101     printUsers(OS, I);
1102   }
1103 }
1104
1105 void AllocaPartitioning::dump(const_iterator I) const { print(dbgs(), I); }
1106 void AllocaPartitioning::dump() const { print(dbgs()); }
1107
1108 #endif // !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1109
1110
1111 namespace {
1112 /// \brief An optimization pass providing Scalar Replacement of Aggregates.
1113 ///
1114 /// This pass takes allocations which can be completely analyzed (that is, they
1115 /// don't escape) and tries to turn them into scalar SSA values. There are
1116 /// a few steps to this process.
1117 ///
1118 /// 1) It takes allocations of aggregates and analyzes the ways in which they
1119 ///    are used to try to split them into smaller allocations, ideally of
1120 ///    a single scalar data type. It will split up memcpy and memset accesses
1121 ///    as necessary and try to isolate invidual scalar accesses.
1122 /// 2) It will transform accesses into forms which are suitable for SSA value
1123 ///    promotion. This can be replacing a memset with a scalar store of an
1124 ///    integer value, or it can involve speculating operations on a PHI or
1125 ///    select to be a PHI or select of the results.
1126 /// 3) Finally, this will try to detect a pattern of accesses which map cleanly
1127 ///    onto insert and extract operations on a vector value, and convert them to
1128 ///    this form. By doing so, it will enable promotion of vector aggregates to
1129 ///    SSA vector values.
1130 class SROA : public FunctionPass {
1131   LLVMContext *C;
1132   const TargetData *TD;
1133   DominatorTree *DT;
1134
1135   /// \brief Worklist of alloca instructions to simplify.
1136   ///
1137   /// Each alloca in the function is added to this. Each new alloca formed gets
1138   /// added to it as well to recursively simplify unless that alloca can be
1139   /// directly promoted. Finally, each time we rewrite a use of an alloca other
1140   /// the one being actively rewritten, we add it back onto the list if not
1141   /// already present to ensure it is re-visited.
1142   SetVector<AllocaInst *, SmallVector<AllocaInst *, 16> > Worklist;
1143
1144   /// \brief A collection of instructions to delete.
1145   /// We try to batch deletions to simplify code and make things a bit more
1146   /// efficient.
1147   SmallVector<Instruction *, 8> DeadInsts;
1148
1149   /// \brief A set to prevent repeatedly marking an instruction split into many
1150   /// uses as dead. Only used to guard insertion into DeadInsts.
1151   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadSplitInsts;
1152
1153   /// \brief A set of deleted alloca instructions.
1154   ///
1155   /// These pointers are *no longer valid* as they have been deleted. They are
1156   /// used to remove deleted allocas from the list of promotable allocas.
1157   SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> DeletedAllocas;
1158
1159   /// \brief A collection of alloca instructions we can directly promote.
1160   std::vector<AllocaInst *> PromotableAllocas;
1161
1162 public:
1163   SROA() : FunctionPass(ID), C(0), TD(0), DT(0) {
1164     initializeSROAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1165   }
1166   bool runOnFunction(Function &F);
1167   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
1168
1169   const char *getPassName() const { return "SROA"; }
1170   static char ID;
1171
1172 private:
1173   friend class AllocaPartitionRewriter;
1174   friend class AllocaPartitionVectorRewriter;
1175
1176   bool rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
1177                               AllocaPartitioning &P,
1178                               AllocaPartitioning::iterator PI);
1179   bool splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P);
1180   bool runOnAlloca(AllocaInst &AI);
1181   void deleteDeadInstructions();
1182 };
1183 }
1184
1185 char SROA::ID = 0;
1186
1187 FunctionPass *llvm::createSROAPass() {
1188   return new SROA();
1189 }
1190
1191 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1192                       false, false)
1193 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
1194 INITIALIZE_PASS_END(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1195                     false, false)
1196
1197 /// \brief Accumulate the constant offsets in a GEP into a single APInt offset.
1198 ///
1199 /// If the provided GEP is all-constant, the total byte offset formed by the
1200 /// GEP is computed and Offset is set to it. If the GEP has any non-constant
1201 /// operands, the function returns false and the value of Offset is unmodified.
1202 static bool accumulateGEPOffsets(const TargetData &TD, GEPOperator &GEP,
1203                                  APInt &Offset) {
1204   APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1205   for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP), GTE = gep_type_end(GEP);
1206        GTI != GTE; ++GTI) {
1207     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
1208     if (!OpC)
1209       return false;
1210     if (OpC->isZero()) continue;
1211
1212     // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
1213     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
1214       unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
1215       const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1216       GEPOffset += APInt(Offset.getBitWidth(),
1217                          SL->getElementOffset(ElementIdx));
1218       continue;
1219     }
1220
1221     APInt TypeSize(Offset.getBitWidth(),
1222                    TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
1223     if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(*GTI)) {
1224       assert((VTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1225              "vector element size is not a multiple of 8, cannot GEP over it");
1226       TypeSize = VTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1227     }
1228
1229     GEPOffset += OpC->getValue().sextOrTrunc(Offset.getBitWidth()) * TypeSize;
1230   }
1231   Offset = GEPOffset;
1232   return true;
1233 }
1234
1235 /// \brief Build a GEP out of a base pointer and indices.
1236 ///
1237 /// This will return the BasePtr if that is valid, or build a new GEP
1238 /// instruction using the IRBuilder if GEP-ing is needed.
1239 static Value *buildGEP(IRBuilder<> &IRB, Value *BasePtr,
1240                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1241                        const Twine &Prefix) {
1242   if (Indices.empty())
1243     return BasePtr;
1244
1245   // A single zero index is a no-op, so check for this and avoid building a GEP
1246   // in that case.
1247   if (Indices.size() == 1 && cast<ConstantInt>(Indices.back())->isZero())
1248     return BasePtr;
1249
1250   return IRB.CreateInBoundsGEP(BasePtr, Indices, Prefix + ".idx");
1251 }
1252
1253 /// \brief Get a natural GEP off of the BasePtr walking through Ty toward
1254 /// TargetTy without changing the offset of the pointer.
1255 ///
1256 /// This routine assumes we've already established a properly offset GEP with
1257 /// Indices, and arrived at the Ty type. The goal is to continue to GEP with
1258 /// zero-indices down through type layers until we find one the same as
1259 /// TargetTy. If we can't find one with the same type, we at least try to use
1260 /// one with the same size. If none of that works, we just produce the GEP as
1261 /// indicated by Indices to have the correct offset.
1262 static Value *getNaturalGEPWithType(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1263                                     Value *BasePtr, Type *Ty, Type *TargetTy,
1264                                     SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1265                                     const Twine &Prefix) {
1266   if (Ty == TargetTy)
1267     return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1268
1269   // See if we can descend into a struct and locate a field with the correct
1270   // type.
1271   unsigned NumLayers = 0;
1272   Type *ElementTy = Ty;
1273   do {
1274     if (ElementTy->isPointerTy())
1275       break;
1276     if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(ElementTy)) {
1277       ElementTy = SeqTy->getElementType();
1278       Indices.push_back(IRB.getInt(APInt(TD.getPointerSizeInBits(), 0)));
1279     } else if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElementTy)) {
1280       ElementTy = *STy->element_begin();
1281       Indices.push_back(IRB.getInt32(0));
1282     } else {
1283       break;
1284     }
1285     ++NumLayers;
1286   } while (ElementTy != TargetTy);
1287   if (ElementTy != TargetTy)
1288     Indices.erase(Indices.end() - NumLayers, Indices.end());
1289
1290   return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1291 }
1292
1293 /// \brief Recursively compute indices for a natural GEP.
1294 ///
1295 /// This is the recursive step for getNaturalGEPWithOffset that walks down the
1296 /// element types adding appropriate indices for the GEP.
1297 static Value *getNaturalGEPRecursively(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1298                                        Value *Ptr, Type *Ty, APInt &Offset,
1299                                        Type *TargetTy,
1300                                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1301                                        const Twine &Prefix) {
1302   if (Offset == 0)
1303     return getNaturalGEPWithType(IRB, TD, Ptr, Ty, TargetTy, Indices, Prefix);
1304
1305   // We can't recurse through pointer types.
1306   if (Ty->isPointerTy())
1307     return 0;
1308
1309   if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
1310     unsigned ElementSizeInBits = VecTy->getScalarSizeInBits();
1311     if (ElementSizeInBits % 8)
1312       return 0; // GEPs over multiple of 8 size vector elements are invalid.
1313     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), ElementSizeInBits / 8);
1314     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1315     if (NumSkippedElements.ugt(VecTy->getNumElements()))
1316       return 0;
1317     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1318     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1319     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, VecTy->getElementType(),
1320                                     Offset, TargetTy, Indices, Prefix);
1321   }
1322
1323   if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
1324     Type *ElementTy = ArrTy->getElementType();
1325     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1326     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1327     if (NumSkippedElements.ugt(ArrTy->getNumElements()))
1328       return 0;
1329
1330     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1331     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1332     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1333                                     Indices, Prefix);
1334   }
1335
1336   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
1337   if (!STy)
1338     return 0;
1339
1340   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1341   uint64_t StructOffset = Offset.getZExtValue();
1342   if (StructOffset > SL->getSizeInBytes())
1343     return 0;
1344   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(StructOffset);
1345   Offset -= APInt(Offset.getBitWidth(), SL->getElementOffset(Index));
1346   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
1347   if (Offset.uge(TD.getTypeAllocSize(ElementTy)))
1348     return 0; // The offset points into alignment padding.
1349
1350   Indices.push_back(IRB.getInt32(Index));
1351   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1352                                   Indices, Prefix);
1353 }
1354
1355 /// \brief Get a natural GEP from a base pointer to a particular offset and
1356 /// resulting in a particular type.
1357 ///
1358 /// The goal is to produce a "natural" looking GEP that works with the existing
1359 /// composite types to arrive at the appropriate offset and element type for
1360 /// a pointer. TargetTy is the element type the returned GEP should point-to if
1361 /// possible. We recurse by decreasing Offset, adding the appropriate index to
1362 /// Indices, and setting Ty to the result subtype.
1363 ///
1364 /// If no natural GEP can be constructed, this function returns null.
1365 static Value *getNaturalGEPWithOffset(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1366                                       Value *Ptr, APInt Offset, Type *TargetTy,
1367                                       SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1368                                       const Twine &Prefix) {
1369   PointerType *Ty = cast<PointerType>(Ptr->getType());
1370
1371   // Don't consider any GEPs through an i8* as natural unless the TargetTy is
1372   // an i8.
1373   if (Ty == IRB.getInt8PtrTy() && TargetTy->isIntegerTy(8))
1374     return 0;
1375
1376   Type *ElementTy = Ty->getElementType();
1377   APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1378   if (ElementSize == 0)
1379     return 0; // Zero-length arrays can't help us build a natural GEP.
1380   APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1381
1382   Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1383   Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1384   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1385                                   Indices, Prefix);
1386 }
1387
1388 /// \brief Compute an adjusted pointer from Ptr by Offset bytes where the
1389 /// resulting pointer has PointerTy.
1390 ///
1391 /// This tries very hard to compute a "natural" GEP which arrives at the offset
1392 /// and produces the pointer type desired. Where it cannot, it will try to use
1393 /// the natural GEP to arrive at the offset and bitcast to the type. Where that
1394 /// fails, it will try to use an existing i8* and GEP to the byte offset and
1395 /// bitcast to the type.
1396 ///
1397 /// The strategy for finding the more natural GEPs is to peel off layers of the
1398 /// pointer, walking back through bit casts and GEPs, searching for a base
1399 /// pointer from which we can compute a natural GEP with the desired
1400 /// properities. The algorithm tries to fold as many constant indices into
1401 /// a single GEP as possible, thus making each GEP more independent of the
1402 /// surrounding code.
1403 static Value *getAdjustedPtr(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1404                              Value *Ptr, APInt Offset, Type *PointerTy,
1405                              const Twine &Prefix) {
1406   // Even though we don't look through PHI nodes, we could be called on an
1407   // instruction in an unreachable block, which may be on a cycle.
1408   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
1409   Visited.insert(Ptr);
1410   SmallVector<Value *, 4> Indices;
1411
1412   // We may end up computing an offset pointer that has the wrong type. If we
1413   // never are able to compute one directly that has the correct type, we'll
1414   // fall back to it, so keep it around here.
1415   Value *OffsetPtr = 0;
1416
1417   // Remember any i8 pointer we come across to re-use if we need to do a raw
1418   // byte offset.
1419   Value *Int8Ptr = 0;
1420   APInt Int8PtrOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1421
1422   Type *TargetTy = PointerTy->getPointerElementType();
1423
1424   do {
1425     // First fold any existing GEPs into the offset.
1426     while (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr)) {
1427       APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1428       if (!accumulateGEPOffsets(TD, *GEP, GEPOffset))
1429         break;
1430       Offset += GEPOffset;
1431       Ptr = GEP->getPointerOperand();
1432       if (!Visited.insert(Ptr))
1433         break;
1434     }
1435
1436     // See if we can perform a natural GEP here.
1437     Indices.clear();
1438     if (Value *P = getNaturalGEPWithOffset(IRB, TD, Ptr, Offset, TargetTy,
1439                                            Indices, Prefix)) {
1440       if (P->getType() == PointerTy) {
1441         // Zap any offset pointer that we ended up computing in previous rounds.
1442         if (OffsetPtr && OffsetPtr->use_empty())
1443           if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OffsetPtr))
1444             I->eraseFromParent();
1445         return P;
1446       }
1447       if (!OffsetPtr) {
1448         OffsetPtr = P;
1449       }
1450     }
1451
1452     // Stash this pointer if we've found an i8*.
1453     if (Ptr->getType()->isIntegerTy(8)) {
1454       Int8Ptr = Ptr;
1455       Int8PtrOffset = Offset;
1456     }
1457
1458     // Peel off a layer of the pointer and update the offset appropriately.
1459     if (Operator::getOpcode(Ptr) == Instruction::BitCast) {
1460       Ptr = cast<Operator>(Ptr)->getOperand(0);
1461     } else if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(Ptr)) {
1462       if (GA->mayBeOverridden())
1463         break;
1464       Ptr = GA->getAliasee();
1465     } else {
1466       break;
1467     }
1468     assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected operand type!");
1469   } while (Visited.insert(Ptr));
1470
1471   if (!OffsetPtr) {
1472     if (!Int8Ptr) {
1473       Int8Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, IRB.getInt8PtrTy(),
1474                                   Prefix + ".raw_cast");
1475       Int8PtrOffset = Offset;
1476     }
1477
1478     OffsetPtr = Int8PtrOffset == 0 ? Int8Ptr :
1479       IRB.CreateInBoundsGEP(Int8Ptr, IRB.getInt(Int8PtrOffset),
1480                             Prefix + ".raw_idx");
1481   }
1482   Ptr = OffsetPtr;
1483
1484   // On the off chance we were targeting i8*, guard the bitcast here.
1485   if (Ptr->getType() != PointerTy)
1486     Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, PointerTy, Prefix + ".cast");
1487
1488   return Ptr;
1489 }
1490
1491 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to a vector.
1492 ///
1493 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1494 /// partition (and its newly formed alloca) into a vector alloca with only
1495 /// whole-vector loads and stores such that it could be promoted to a vector
1496 /// SSA value. We only can ensure this for a limited set of operations, and we
1497 /// don't want to do the rewrites unless we are confident that the result will
1498 /// be promotable, so we have an early test here.
1499 static bool isVectorPromotionViable(const TargetData &TD,
1500                                     Type *AllocaTy,
1501                                     AllocaPartitioning &P,
1502                                     uint64_t PartitionBeginOffset,
1503                                     uint64_t PartitionEndOffset,
1504                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1505                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1506   VectorType *Ty = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy);
1507   if (!Ty)
1508     return false;
1509
1510   uint64_t VecSize = TD.getTypeSizeInBits(Ty);
1511   uint64_t ElementSize = Ty->getScalarSizeInBits();
1512
1513   // While the definition of LLVM vectors is bitpacked, we don't support sizes
1514   // that aren't byte sized.
1515   if (ElementSize % 8)
1516     return false;
1517   assert((VecSize % 8) == 0 && "vector size not a multiple of element size?");
1518   VecSize /= 8;
1519   ElementSize /= 8;
1520
1521   for (; I != E; ++I) {
1522     uint64_t BeginOffset = I->BeginOffset - PartitionBeginOffset;
1523     uint64_t BeginIndex = BeginOffset / ElementSize;
1524     if (BeginIndex * ElementSize != BeginOffset ||
1525         BeginIndex >= Ty->getNumElements())
1526       return false;
1527     uint64_t EndOffset = I->EndOffset - PartitionBeginOffset;
1528     uint64_t EndIndex = EndOffset / ElementSize;
1529     if (EndIndex * ElementSize != EndOffset ||
1530         EndIndex > Ty->getNumElements())
1531       return false;
1532
1533     // FIXME: We should build shuffle vector instructions to handle
1534     // non-element-sized accesses.
1535     if ((EndOffset - BeginOffset) != ElementSize &&
1536         (EndOffset - BeginOffset) != VecSize)
1537       return false;
1538
1539     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1540       if (MI->isVolatile())
1541         return false;
1542       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1543         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1544           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1545         if (!MTO.IsSplittable)
1546           return false;
1547       }
1548     } else if (I->Ptr->getType()->getPointerElementType()->isStructTy()) {
1549       // Disable vector promotion when there are loads or stores of an FCA.
1550       return false;
1551     } else if (!isa<LoadInst>(*I->User) && !isa<StoreInst>(*I->User)) {
1552       return false;
1553     }
1554   }
1555   return true;
1556 }
1557
1558 namespace {
1559 /// \brief Visitor to rewrite instructions using a partition of an alloca to
1560 /// use a new alloca.
1561 ///
1562 /// Also implements the rewriting to vector-based accesses when the partition
1563 /// passes the isVectorPromotionViable predicate. Most of the rewriting logic
1564 /// lives here.
1565 class AllocaPartitionRewriter : public InstVisitor<AllocaPartitionRewriter,
1566                                                    bool> {
1567   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
1568   friend class llvm::InstVisitor<AllocaPartitionRewriter, bool>;
1569
1570   const TargetData &TD;
1571   AllocaPartitioning &P;
1572   SROA &Pass;
1573   AllocaInst &OldAI, &NewAI;
1574   const uint64_t NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset;
1575
1576   // If we are rewriting an alloca partition which can be written as pure
1577   // vector operations, we stash extra information here. When VecTy is
1578   // non-null, we have some strict guarantees about the rewriten alloca:
1579   //   - The new alloca is exactly the size of the vector type here.
1580   //   - The accesses all either map to the entire vector or to a single
1581   //     element.
1582   //   - The set of accessing instructions is only one of those handled above
1583   //     in isVectorPromotionViable. Generally these are the same access kinds
1584   //     which are promotable via mem2reg.
1585   VectorType *VecTy;
1586   Type *ElementTy;
1587   uint64_t ElementSize;
1588
1589   // The offset of the partition user currently being rewritten.
1590   uint64_t BeginOffset, EndOffset;
1591   Instruction *OldPtr;
1592
1593   // The name prefix to use when rewriting instructions for this alloca.
1594   std::string NamePrefix;
1595
1596 public:
1597   AllocaPartitionRewriter(const TargetData &TD, AllocaPartitioning &P,
1598                           AllocaPartitioning::iterator PI,
1599                           SROA &Pass, AllocaInst &OldAI, AllocaInst &NewAI,
1600                           uint64_t NewBeginOffset, uint64_t NewEndOffset)
1601     : TD(TD), P(P), Pass(Pass),
1602       OldAI(OldAI), NewAI(NewAI),
1603       NewAllocaBeginOffset(NewBeginOffset),
1604       NewAllocaEndOffset(NewEndOffset),
1605       VecTy(), ElementTy(), ElementSize(),
1606       BeginOffset(), EndOffset() {
1607   }
1608
1609   /// \brief Visit the users of the alloca partition and rewrite them.
1610   bool visitUsers(AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1611                   AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1612     if (isVectorPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(), P,
1613                                 NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset,
1614                                 I, E)) {
1615       ++NumVectorized;
1616       VecTy = cast<VectorType>(NewAI.getAllocatedType());
1617       ElementTy = VecTy->getElementType();
1618       assert((VecTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1619              "Only multiple-of-8 sized vector elements are viable");
1620       ElementSize = VecTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1621     }
1622     bool CanSROA = true;
1623     for (; I != E; ++I) {
1624       BeginOffset = I->BeginOffset;
1625       EndOffset = I->EndOffset;
1626       OldPtr = I->Ptr;
1627       NamePrefix = (Twine(NewAI.getName()) + "." + Twine(BeginOffset)).str();
1628       CanSROA &= visit(I->User);
1629     }
1630     if (VecTy) {
1631       assert(CanSROA);
1632       VecTy = 0;
1633       ElementTy = 0;
1634       ElementSize = 0;
1635     }
1636     return CanSROA;
1637   }
1638
1639 private:
1640   // Every instruction which can end up as a user must have a rewrite rule.
1641   bool visitInstruction(Instruction &I) {
1642     DEBUG(dbgs() << "    !!!! Cannot rewrite: " << I << "\n");
1643     llvm_unreachable("No rewrite rule for this instruction!");
1644   }
1645
1646   Twine getName(const Twine &Suffix) {
1647     return NamePrefix + Suffix;
1648   }
1649
1650   Value *getAdjustedAllocaPtr(IRBuilder<> &IRB, Type *PointerTy) {
1651     assert(BeginOffset >= NewAllocaBeginOffset);
1652     APInt Offset(TD.getPointerSizeInBits(), BeginOffset - NewAllocaBeginOffset);
1653     return getAdjustedPtr(IRB, TD, &NewAI, Offset, PointerTy, getName(""));
1654   }
1655
1656   ConstantInt *getIndex(IRBuilder<> &IRB, uint64_t Offset) {
1657     assert(VecTy && "Can only call getIndex when rewriting a vector");
1658     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1659     assert(RelOffset / ElementSize < UINT32_MAX && "Index out of bounds");
1660     uint32_t Index = RelOffset / ElementSize;
1661     assert(Index * ElementSize == RelOffset);
1662     return IRB.getInt32(Index);
1663   }
1664
1665   void deleteIfTriviallyDead(Value *V) {
1666     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1667     if (isInstructionTriviallyDead(I))
1668       Pass.DeadInsts.push_back(I);
1669   }
1670
1671   Value *getValueCast(IRBuilder<> &IRB, Value *V, Type *Ty) {
1672     if (V->getType()->isIntegerTy() && Ty->isPointerTy())
1673       return IRB.CreateIntToPtr(V, Ty);
1674     if (V->getType()->isPointerTy() && Ty->isIntegerTy())
1675       return IRB.CreatePtrToInt(V, Ty);
1676
1677     return IRB.CreateBitCast(V, Ty);
1678   }
1679
1680   bool rewriteVectorizedLoadInst(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI, Value *OldOp) {
1681     Value *Result;
1682     if (LI.getType() == VecTy->getElementType() ||
1683         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1684       Result
1685         = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1686                                    getIndex(IRB, BeginOffset),
1687                                    getName(".extract"));
1688     } else {
1689       Result = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1690     }
1691     if (Result->getType() != LI.getType())
1692       Result = getValueCast(IRB, Result, LI.getType());
1693     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1694     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1695
1696     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1697     return true;
1698   }
1699
1700   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1701     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
1702     Value *OldOp = LI.getOperand(0);
1703     assert(OldOp == OldPtr);
1704     IRBuilder<> IRB(&LI);
1705
1706     if (VecTy)
1707       return rewriteVectorizedLoadInst(IRB, LI, OldOp);
1708
1709     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1710                                          LI.getPointerOperand()->getType());
1711     LI.setOperand(0, NewPtr);
1712     DEBUG(dbgs() << "          to: " << LI << "\n");
1713
1714     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1715     return NewPtr == &NewAI && !LI.isVolatile();
1716   }
1717
1718   bool rewriteVectorizedStoreInst(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI,
1719                                   Value *OldOp) {
1720     Value *V = SI.getValueOperand();
1721     if (V->getType() == ElementTy ||
1722         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1723       if (V->getType() != ElementTy)
1724         V = getValueCast(IRB, V, ElementTy);
1725       V = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1726                                   getIndex(IRB, BeginOffset),
1727                                   getName(".insert"));
1728     } else if (V->getType() != VecTy) {
1729       V = getValueCast(IRB, V, VecTy);
1730     }
1731     StoreInst *Store = IRB.CreateStore(V, &NewAI);
1732     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
1733
1734     (void)Store;
1735     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1736     return true;
1737   }
1738
1739   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
1740     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
1741     Value *OldOp = SI.getOperand(1);
1742     assert(OldOp == OldPtr);
1743     IRBuilder<> IRB(&SI);
1744
1745     if (VecTy)
1746       return rewriteVectorizedStoreInst(IRB, SI, OldOp);
1747
1748     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1749                                          SI.getPointerOperand()->getType());
1750     SI.setOperand(1, NewPtr);
1751     DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
1752
1753     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1754     return NewPtr == &NewAI && !SI.isVolatile();
1755   }
1756
1757   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
1758     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1759     IRBuilder<> IRB(&II);
1760     assert(II.getRawDest() == OldPtr);
1761
1762     // If the memset has a variable size, it cannot be split, just adjust the
1763     // pointer to the new alloca.
1764     if (!isa<Constant>(II.getLength())) {
1765       II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1766       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
1767       return false;
1768     }
1769
1770     // Record this instruction for deletion.
1771     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1772       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1773
1774     Type *AllocaTy = NewAI.getAllocatedType();
1775     Type *ScalarTy = AllocaTy->getScalarType();
1776
1777     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1778     // a single value type, just emit a memset.
1779     if (!VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1780                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1781                    !AllocaTy->isSingleValueType() ||
1782                    !TD.isLegalInteger(TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy)))) {
1783       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1784       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1785
1786       CallInst *New
1787         = IRB.CreateMemSet(getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1788                                                 II.getRawDest()->getType()),
1789                            II.getValue(), Size, II.getAlignment(),
1790                            II.isVolatile());
1791       (void)New;
1792       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1793       return false;
1794     }
1795
1796     // If we can represent this as a simple value, we have to build the actual
1797     // value to store, which requires expanding the byte present in memset to
1798     // a sensible representation for the alloca type. This is essentially
1799     // splatting the byte to a sufficiently wide integer, bitcasting to the
1800     // desired scalar type, and splatting it across any desired vector type.
1801     Value *V = II.getValue();
1802     IntegerType *VTy = cast<IntegerType>(V->getType());
1803     Type *IntTy = Type::getIntNTy(VTy->getContext(),
1804                                   TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy));
1805     if (TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy) > VTy->getBitWidth())
1806       V = IRB.CreateMul(IRB.CreateZExt(V, IntTy, getName(".zext")),
1807                         ConstantExpr::getUDiv(
1808                           Constant::getAllOnesValue(IntTy),
1809                           ConstantExpr::getZExt(
1810                             Constant::getAllOnesValue(V->getType()),
1811                             IntTy)),
1812                         getName(".isplat"));
1813     if (V->getType() != ScalarTy) {
1814       if (ScalarTy->isPointerTy())
1815         V = IRB.CreateIntToPtr(V, ScalarTy);
1816       else if (ScalarTy->isPrimitiveType() || ScalarTy->isVectorTy())
1817         V = IRB.CreateBitCast(V, ScalarTy);
1818       else if (ScalarTy->isIntegerTy())
1819         llvm_unreachable("Computed different integer types with equal widths");
1820       else
1821         llvm_unreachable("Invalid scalar type");
1822     }
1823
1824     // If this is an element-wide memset of a vectorizable alloca, insert it.
1825     if (VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1826                   EndOffset < NewAllocaEndOffset)) {
1827       StoreInst *Store = IRB.CreateStore(
1828         IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1829                                 getIndex(IRB, BeginOffset),
1830                                 getName(".insert")),
1831         &NewAI);
1832       (void)Store;
1833       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1834       return true;
1835     }
1836
1837     // Splat to a vector if needed.
1838     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy)) {
1839       VectorType *SplatSourceTy = VectorType::get(V->getType(), 1);
1840       V = IRB.CreateShuffleVector(
1841         IRB.CreateInsertElement(UndefValue::get(SplatSourceTy), V,
1842                                 IRB.getInt32(0), getName(".vsplat.insert")),
1843         UndefValue::get(SplatSourceTy),
1844         ConstantVector::getSplat(VecTy->getNumElements(), IRB.getInt32(0)),
1845         getName(".vsplat.shuffle"));
1846       assert(V->getType() == VecTy);
1847     }
1848
1849     Value *New = IRB.CreateStore(V, &NewAI, II.isVolatile());
1850     (void)New;
1851     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1852     return !II.isVolatile();
1853   }
1854
1855   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
1856     // Rewriting of memory transfer instructions can be a bit tricky. We break
1857     // them into two categories: split intrinsics and unsplit intrinsics.
1858
1859     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1860     IRBuilder<> IRB(&II);
1861
1862     assert(II.getRawSource() == OldPtr || II.getRawDest() == OldPtr);
1863     bool IsDest = II.getRawDest() == OldPtr;
1864
1865     const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1866       = P.getMemTransferOffsets(II);
1867
1868     // For unsplit intrinsics, we simply modify the source and destination
1869     // pointers in place. This isn't just an optimization, it is a matter of
1870     // correctness. With unsplit intrinsics we may be dealing with transfers
1871     // within a single alloca before SROA ran, or with transfers that have
1872     // a variable length. We may also be dealing with memmove instead of
1873     // memcpy, and so simply updating the pointers is the necessary for us to
1874     // update both source and dest of a single call.
1875     if (!MTO.IsSplittable) {
1876       Value *OldOp = IsDest ? II.getRawDest() : II.getRawSource();
1877       if (IsDest)
1878         II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1879       else
1880         II.setSource(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawSource()->getType()));
1881
1882       DEBUG(dbgs() << "          to: " << II << "\n");
1883       deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1884       return false;
1885     }
1886     // For split transfer intrinsics we have an incredibly useful assurance:
1887     // the source and destination do not reside within the same alloca, and at
1888     // least one of them does not escape. This means that we can replace
1889     // memmove with memcpy, and we don't need to worry about all manner of
1890     // downsides to splitting and transforming the operations.
1891
1892     // Compute the relative offset within the transfer.
1893     unsigned IntPtrWidth = TD.getPointerSizeInBits();
1894     APInt RelOffset(IntPtrWidth, BeginOffset - (IsDest ? MTO.DestBegin
1895                                                        : MTO.SourceBegin));
1896
1897     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1898     // a single value type, just emit a memcpy.
1899     bool EmitMemCpy
1900       = !VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1901                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1902                    !NewAI.getAllocatedType()->isSingleValueType());
1903
1904     // If we're just going to emit a memcpy, the alloca hasn't changed, and the
1905     // size hasn't been shrunk based on analysis of the viable range, this is
1906     // a no-op.
1907     if (EmitMemCpy && &OldAI == &NewAI) {
1908       uint64_t OrigBegin = IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin;
1909       uint64_t OrigEnd = IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd;
1910       // Ensure the start lines up.
1911       assert(BeginOffset == OrigBegin);
1912
1913       // Rewrite the size as needed.
1914       if (EndOffset != OrigEnd)
1915         II.setLength(ConstantInt::get(II.getLength()->getType(),
1916                                       EndOffset - BeginOffset));
1917       return false;
1918     }
1919     // Record this instruction for deletion.
1920     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1921       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1922
1923     bool IsVectorElement = VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1924                                      EndOffset < NewAllocaEndOffset);
1925
1926     Type *OtherPtrTy = IsDest ? II.getRawSource()->getType()
1927                               : II.getRawDest()->getType();
1928     if (!EmitMemCpy)
1929       OtherPtrTy = IsVectorElement ? VecTy->getElementType()->getPointerTo()
1930                                    : NewAI.getType();
1931
1932     // Compute the other pointer, folding as much as possible to produce
1933     // a single, simple GEP in most cases.
1934     Value *OtherPtr = IsDest ? II.getRawSource() : II.getRawDest();
1935     OtherPtr = getAdjustedPtr(IRB, TD, OtherPtr, RelOffset, OtherPtrTy,
1936                               getName("." + OtherPtr->getName()));
1937
1938     // Strip all inbounds GEPs and pointer casts to try to dig out any root
1939     // alloca that should be re-examined after rewriting this instruction.
1940     if (AllocaInst *AI
1941           = dyn_cast<AllocaInst>(OtherPtr->stripInBoundsOffsets()))
1942       Pass.Worklist.insert(AI);
1943
1944     if (EmitMemCpy) {
1945       Value *OurPtr
1946         = getAdjustedAllocaPtr(IRB, IsDest ? II.getRawDest()->getType()
1947                                            : II.getRawSource()->getType());
1948       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1949       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1950
1951       CallInst *New = IRB.CreateMemCpy(IsDest ? OurPtr : OtherPtr,
1952                                        IsDest ? OtherPtr : OurPtr,
1953                                        Size, II.getAlignment(),
1954                                        II.isVolatile());
1955       (void)New;
1956       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1957       return false;
1958     }
1959
1960     Value *SrcPtr = OtherPtr;
1961     Value *DstPtr = &NewAI;
1962     if (!IsDest)
1963       std::swap(SrcPtr, DstPtr);
1964
1965     Value *Src;
1966     if (IsVectorElement && !IsDest) {
1967       // We have to extract rather than load.
1968       Src = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(SrcPtr,
1969                                                     getName(".copyload")),
1970                                      getIndex(IRB, BeginOffset),
1971                                      getName(".copyextract"));
1972     } else {
1973       Src = IRB.CreateLoad(SrcPtr, II.isVolatile(), getName(".copyload"));
1974     }
1975
1976     if (IsVectorElement && IsDest) {
1977       // We have to insert into a loaded copy before storing.
1978       Src = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1979                                     Src, getIndex(IRB, BeginOffset),
1980                                     getName(".insert"));
1981     }
1982
1983     Value *Store = IRB.CreateStore(Src, DstPtr, II.isVolatile());
1984     (void)Store;
1985     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1986     return !II.isVolatile();
1987   }
1988
1989   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
1990     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
1991            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
1992     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1993     IRBuilder<> IRB(&II);
1994     assert(II.getArgOperand(1) == OldPtr);
1995
1996     // Record this instruction for deletion.
1997     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1998       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1999
2000     ConstantInt *Size
2001       = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(II.getArgOperand(0)->getType()),
2002                          EndOffset - BeginOffset);
2003     Value *Ptr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getArgOperand(1)->getType());
2004     Value *New;
2005     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2006       New = IRB.CreateLifetimeStart(Ptr, Size);
2007     else
2008       New = IRB.CreateLifetimeEnd(Ptr, Size);
2009
2010     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2011     return true;
2012   }
2013
2014   /// PHI instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2015   /// rewritten to load both input pointers in the pred blocks and then PHI the
2016   /// results, allowing the load of the alloca to be promoted.
2017   /// From this:
2018   ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
2019   ///   %V = load i32* %P2
2020   /// to:
2021   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2022   ///   ...
2023   ///   %V2 = load i32* %Other
2024   ///   ...
2025   ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
2026   ///
2027   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2028   /// to the select can be loaded unconditionally.
2029   ///
2030   /// FIXME: This should be hoisted into a generic utility, likely in
2031   /// Transforms/Util/Local.h
2032   bool isSafePHIToSpeculate(PHINode &PN, SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2033     // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block
2034     // as the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
2035     // TODO: Allow recursive phi users.
2036     // TODO: Allow stores.
2037     BasicBlock *BB = PN.getParent();
2038     unsigned MaxAlign = 0;
2039     for (Value::use_iterator UI = PN.use_begin(), UE = PN.use_end();
2040          UI != UE; ++UI) {
2041       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2042       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2043
2044       // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is
2045       // a common case that happens when instcombine merges two loads through
2046       // a PHI.
2047       if (LI->getParent() != BB) return false;
2048
2049       // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
2050       // could store.
2051       for (BasicBlock::iterator BBI = &PN; &*BBI != LI; ++BBI)
2052         if (BBI->mayWriteToMemory())
2053           return false;
2054
2055       MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
2056       Loads.push_back(LI);
2057     }
2058
2059     // We can only transform this if it is safe to push the loads into the
2060     // predecessor blocks. The only thing to watch out for is that we can't put
2061     // a possibly trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
2062     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num;
2063          ++Idx) {
2064       TerminatorInst *TI = PN.getIncomingBlock(Idx)->getTerminator();
2065       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2066
2067       // If the value is produced by the terminator of the predecessor (an
2068       // invoke) or it has side-effects, there is no valid place to put a load
2069       // in the predecessor.
2070       if (TI == InVal || TI->mayHaveSideEffects())
2071         return false;
2072
2073       // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't
2074       // critical.
2075       if (TI->getNumSuccessors() == 1)
2076         continue;
2077
2078       // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there
2079       // is already a load in the block, then we can move the load to the pred
2080       // block.
2081       if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
2082           isSafeToLoadUnconditionally(InVal, TI, MaxAlign, &TD))
2083         continue;
2084
2085       return false;
2086     }
2087
2088     return true;
2089   }
2090
2091   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2092     DEBUG(dbgs() << "    original: " << PN << "\n");
2093     // We would like to compute a new pointer in only one place, but have it be
2094     // as local as possible to the PHI. To do that, we re-use the location of
2095     // the old pointer, which necessarily must be in the right position to
2096     // dominate the PHI.
2097     IRBuilder<> PtrBuilder(cast<Instruction>(OldPtr));
2098
2099     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2100     if (!isSafePHIToSpeculate(PN, Loads)) {
2101       Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2102       // Replace the operands which were using the old pointer.
2103       User::op_iterator OI = PN.op_begin(), OE = PN.op_end();
2104       for (; OI != OE; ++OI)
2105         if (*OI == OldPtr)
2106           *OI = NewPtr;
2107
2108       DEBUG(dbgs() << "          to: " << PN << "\n");
2109       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2110       return false;
2111     }
2112     assert(!Loads.empty());
2113
2114     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN.getType())->getElementType();
2115     IRBuilder<> PHIBuilder(&PN);
2116     PHINode *NewPN = PHIBuilder.CreatePHI(LoadTy, PN.getNumIncomingValues());
2117     NewPN->takeName(&PN);
2118
2119     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
2120     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
2121     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(Loads.back());
2122     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
2123     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
2124     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2125
2126     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
2127     do {
2128       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2129       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
2130       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2131     } while (!Loads.empty());
2132
2133     // Inject loads into all of the pred blocks.
2134     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num; ++Idx) {
2135       BasicBlock *Pred = PN.getIncomingBlock(Idx);
2136       TerminatorInst *TI = Pred->getTerminator();
2137       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2138       IRBuilder<> PredBuilder(TI);
2139
2140       // Map the value to the new alloca pointer if this was the old alloca
2141       // pointer.
2142       bool ThisOperand = InVal == OldPtr;
2143       if (ThisOperand)
2144         InVal = NewPtr;
2145
2146       LoadInst *Load
2147         = PredBuilder.CreateLoad(InVal, getName(".sroa.speculate." +
2148                                                 Pred->getName()));
2149       ++NumLoadsSpeculated;
2150       Load->setAlignment(Align);
2151       if (TBAATag)
2152         Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
2153       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
2154
2155       if (ThisOperand)
2156         continue;
2157       Instruction *OtherPtr = dyn_cast<Instruction>(InVal);
2158       if (!OtherPtr)
2159         // No uses to rewrite.
2160         continue;
2161
2162       // Try to lookup and rewrite any partition uses corresponding to this phi
2163       // input.
2164       AllocaPartitioning::iterator PI
2165         = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2166       if (PI != P.end()) {
2167         // If the other pointer is within the partitioning, replace the PHI in
2168         // its uses with the load we just speculated, or add another load for
2169         // it to rewrite if we've already replaced the PHI.
2170         AllocaPartitioning::use_iterator UI
2171           = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2172         if (isa<PHINode>(*UI->User))
2173           UI->User = Load;
2174         else {
2175           AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse = *UI;
2176           OtherUse.User = Load;
2177           P.use_insert(PI, std::upper_bound(UI, P.use_end(PI), OtherUse),
2178                        OtherUse);
2179         }
2180       }
2181     }
2182     DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *NewPN << "\n");
2183     return NewPtr == &NewAI;
2184   }
2185
2186   /// Select instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2187   /// rewritten to load both input pointers and then select between the result,
2188   /// allowing the load of the alloca to be promoted.
2189   /// From this:
2190   ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
2191   ///   %V = load i32* %P2
2192   /// to:
2193   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2194   ///   %V2 = load i32* %Other
2195   ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
2196   ///
2197   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2198   /// to the select can be loaded unconditionally.
2199   bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst &SI,
2200                                SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2201     Value *TValue = SI.getTrueValue();
2202     Value *FValue = SI.getFalseValue();
2203     bool TDerefable = TValue->isDereferenceablePointer();
2204     bool FDerefable = FValue->isDereferenceablePointer();
2205
2206     for (Value::use_iterator UI = SI.use_begin(), UE = SI.use_end();
2207          UI != UE; ++UI) {
2208       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2209       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2210
2211       // Both operands to the select need to be dereferencable, either
2212       // absolutely (e.g. allocas) or at this point because we can see other
2213       // accesses to it.
2214       if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(TValue, LI,
2215                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2216         return false;
2217       if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(FValue, LI,
2218                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2219         return false;
2220       Loads.push_back(LI);
2221     }
2222
2223     return true;
2224   }
2225
2226   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2227     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2228     IRBuilder<> IRB(&SI);
2229
2230     // Find the operand we need to rewrite here.
2231     bool IsTrueVal = SI.getTrueValue() == OldPtr;
2232     if (IsTrueVal)
2233       assert(SI.getFalseValue() != OldPtr && "Pointer is both operands!");
2234     else
2235       assert(SI.getFalseValue() == OldPtr && "Pointer isn't an operand!");
2236     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, OldPtr->getType());
2237
2238     // If the select isn't safe to speculate, just use simple logic to emit it.
2239     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2240     if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, Loads)) {
2241       SI.setOperand(IsTrueVal ? 1 : 2, NewPtr);
2242       DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2243       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2244       return false;
2245     }
2246
2247     Value *OtherPtr = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : SI.getTrueValue();
2248     AllocaPartitioning::iterator PI
2249       = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2250     AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse;
2251     if (PI != P.end()) {
2252       // If the other pointer is within the partitioning, remove the select
2253       // from its uses. We'll add in the new loads below.
2254       AllocaPartitioning::use_iterator UI
2255         = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2256       OtherUse = *UI;
2257       P.use_erase(PI, UI);
2258     }
2259
2260     Value *TV = IsTrueVal ? NewPtr : SI.getTrueValue();
2261     Value *FV = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : NewPtr;
2262     // Replace the loads of the select with a select of two loads.
2263     while (!Loads.empty()) {
2264       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2265
2266       IRB.SetInsertPoint(LI);
2267       LoadInst *TL =
2268         IRB.CreateLoad(TV, getName("." + LI->getName() + ".true"));
2269       LoadInst *FL =
2270         IRB.CreateLoad(FV, getName("." + LI->getName() + ".false"));
2271       NumLoadsSpeculated += 2;
2272       if (PI != P.end()) {
2273         LoadInst *OtherLoad = IsTrueVal ? FL : TL;
2274         assert(OtherUse.Ptr == OtherLoad->getOperand(0));
2275         OtherUse.User = OtherLoad;
2276         P.use_insert(PI, P.use_end(PI), OtherUse);
2277       }
2278
2279       // Transfer alignment and TBAA info if present.
2280       TL->setAlignment(LI->getAlignment());
2281       FL->setAlignment(LI->getAlignment());
2282       if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2283         TL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2284         FL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2285       }
2286
2287       Value *V = IRB.CreateSelect(SI.getCondition(), TL, FL);
2288       V->takeName(LI);
2289       DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *V << "\n");
2290       LI->replaceAllUsesWith(V);
2291       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2292     }
2293     if (PI != P.end())
2294       std::stable_sort(P.use_begin(PI), P.use_end(PI));
2295
2296     deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2297     return NewPtr == &NewAI;
2298   }
2299
2300 };
2301 }
2302
2303 /// \brief Try to find a partition of the aggregate type passed in for a given
2304 /// offset and size.
2305 ///
2306 /// This recurses through the aggregate type and tries to compute a subtype
2307 /// based on the offset and size. When the offset and size span a sub-section
2308 /// of an array, it will even compute a new array type for that sub-section.
2309 static Type *getTypePartition(const TargetData &TD, Type *Ty,
2310                               uint64_t Offset, uint64_t Size) {
2311   if (Offset == 0 && TD.getTypeAllocSize(Ty) == Size)
2312     return Ty;
2313
2314   if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
2315     // We can't partition pointers...
2316     if (SeqTy->isPointerTy())
2317       return 0;
2318
2319     Type *ElementTy = SeqTy->getElementType();
2320     uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2321     uint64_t NumSkippedElements = Offset / ElementSize;
2322     if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(SeqTy))
2323       if (NumSkippedElements >= ArrTy->getNumElements())
2324         return 0;
2325     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(SeqTy))
2326       if (NumSkippedElements >= VecTy->getNumElements())
2327         return 0;
2328     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
2329
2330     // First check if we need to recurse.
2331     if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2332       // Bail if the partition ends in a different array element.
2333       if ((Offset + Size) > ElementSize)
2334         return 0;
2335       // Recurse through the element type trying to peel off offset bytes.
2336       return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2337     }
2338     assert(Offset == 0);
2339
2340     if (Size == ElementSize)
2341       return ElementTy;
2342     assert(Size > ElementSize);
2343     uint64_t NumElements = Size / ElementSize;
2344     if (NumElements * ElementSize != Size)
2345       return 0;
2346     return ArrayType::get(ElementTy, NumElements);
2347   }
2348
2349   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
2350   if (!STy)
2351     return 0;
2352
2353   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2354   if (Offset > SL->getSizeInBytes())
2355     return 0;
2356   uint64_t EndOffset = Offset + Size;
2357   if (EndOffset > SL->getSizeInBytes())
2358     return 0;
2359
2360   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(Offset);
2361   if (SL->getElementOffset(Index) != Offset)
2362     return 0; // Inside of padding.
2363   Offset -= SL->getElementOffset(Index);
2364
2365   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
2366   uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2367   if (Offset >= ElementSize)
2368     return 0; // The offset points into alignment padding.
2369
2370   // See if any partition must be contained by the element.
2371   if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2372     if ((Offset + Size) > ElementSize)
2373       return 0;
2374     // Bail if this is a poniter element, we can't recurse through them.
2375     if (ElementTy->isPointerTy())
2376       return 0;
2377     return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2378   }
2379   assert(Offset == 0);
2380
2381   if (Size == ElementSize)
2382     return ElementTy;
2383
2384   StructType::element_iterator EI = STy->element_begin() + Index,
2385                                EE = STy->element_end();
2386   if (EndOffset < SL->getSizeInBytes()) {
2387     unsigned EndIndex = SL->getElementContainingOffset(EndOffset);
2388     if (Index == EndIndex)
2389       return 0; // Within a single element and its padding.
2390     assert(Index < EndIndex);
2391     assert(Index + EndIndex <= STy->getNumElements());
2392     EE = STy->element_begin() + EndIndex;
2393   }
2394
2395   // Try to build up a sub-structure.
2396   SmallVector<Type *, 4> ElementTys;
2397   do {
2398     ElementTys.push_back(*EI++);
2399   } while (EI != EE);
2400   StructType *SubTy = StructType::get(STy->getContext(), ElementTys,
2401                                       STy->isPacked());
2402   const StructLayout *SubSL = TD.getStructLayout(SubTy);
2403   if (Size == SubSL->getSizeInBytes())
2404     return SubTy;
2405
2406   // FIXME: We could potentially recurse down through the last element in the
2407   // sub-struct to find a natural end point.
2408   return 0;
2409 }
2410
2411 /// \brief Rewrite an alloca partition's users.
2412 ///
2413 /// This routine drives both of the rewriting goals of the SROA pass. It tries
2414 /// to rewrite uses of an alloca partition to be conducive for SSA value
2415 /// promotion. If the partition needs a new, more refined alloca, this will
2416 /// build that new alloca, preserving as much type information as possible, and
2417 /// rewrite the uses of the old alloca to point at the new one and have the
2418 /// appropriate new offsets. It also evaluates how successful the rewrite was
2419 /// at enabling promotion and if it was successful queues the alloca to be
2420 /// promoted.
2421 bool SROA::rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
2422                                   AllocaPartitioning &P,
2423                                   AllocaPartitioning::iterator PI) {
2424   uint64_t AllocaSize = PI->EndOffset - PI->BeginOffset;
2425   if (P.use_begin(PI) == P.use_end(PI))
2426     return false; // No live uses left of this partition.
2427
2428   // Try to compute a friendly type for this partition of the alloca. This
2429   // won't always succeed, in which case we fall back to a legal integer type
2430   // or an i8 array of an appropriate size.
2431   Type *AllocaTy = 0;
2432   if (Type *PartitionTy = P.getCommonType(PI))
2433     if (TD->getTypeAllocSize(PartitionTy) >= AllocaSize)
2434       AllocaTy = PartitionTy;
2435   if (!AllocaTy)
2436     if (Type *PartitionTy = getTypePartition(*TD, AI.getAllocatedType(),
2437                                              PI->BeginOffset, AllocaSize))
2438       AllocaTy = PartitionTy;
2439   if ((!AllocaTy ||
2440        (AllocaTy->isArrayTy() &&
2441         AllocaTy->getArrayElementType()->isIntegerTy())) &&
2442       TD->isLegalInteger(AllocaSize * 8))
2443     AllocaTy = Type::getIntNTy(*C, AllocaSize * 8);
2444   if (!AllocaTy)
2445     AllocaTy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(*C), AllocaSize);
2446   assert(TD->getTypeAllocSize(AllocaTy) >= AllocaSize);
2447
2448   // Check for the case where we're going to rewrite to a new alloca of the
2449   // exact same type as the original, and with the same access offsets. In that
2450   // case, re-use the existing alloca, but still run through the rewriter to
2451   // performe phi and select speculation.
2452   AllocaInst *NewAI;
2453   if (AllocaTy == AI.getAllocatedType()) {
2454     assert(PI->BeginOffset == 0 &&
2455            "Non-zero begin offset but same alloca type");
2456     assert(PI == P.begin() && "Begin offset is zero on later partition");
2457     NewAI = &AI;
2458   } else {
2459     // FIXME: The alignment here is overly conservative -- we could in many
2460     // cases get away with much weaker alignment constraints.
2461     NewAI = new AllocaInst(AllocaTy, 0, AI.getAlignment(),
2462                            AI.getName() + ".sroa." + Twine(PI - P.begin()),
2463                            &AI);
2464     ++NumNewAllocas;
2465   }
2466
2467   DEBUG(dbgs() << "Rewriting alloca partition "
2468                << "[" << PI->BeginOffset << "," << PI->EndOffset << ") to: "
2469                << *NewAI << "\n");
2470
2471   AllocaPartitionRewriter Rewriter(*TD, P, PI, *this, AI, *NewAI,
2472                                    PI->BeginOffset, PI->EndOffset);
2473   DEBUG(dbgs() << "  rewriting ");
2474   DEBUG(P.print(dbgs(), PI, ""));
2475   if (Rewriter.visitUsers(P.use_begin(PI), P.use_end(PI))) {
2476     DEBUG(dbgs() << "  and queuing for promotion\n");
2477     PromotableAllocas.push_back(NewAI);
2478   } else if (NewAI != &AI) {
2479     // If we can't promote the alloca, iterate on it to check for new
2480     // refinements exposed by splitting the current alloca. Don't iterate on an
2481     // alloca which didn't actually change and didn't get promoted.
2482     Worklist.insert(NewAI);
2483   }
2484   return true;
2485 }
2486
2487 /// \brief Walks the partitioning of an alloca rewriting uses of each partition.
2488 bool SROA::splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P) {
2489   bool Changed = false;
2490   for (AllocaPartitioning::iterator PI = P.begin(), PE = P.end(); PI != PE;
2491        ++PI)
2492     Changed |= rewriteAllocaPartition(AI, P, PI);
2493
2494   return Changed;
2495 }
2496
2497 /// \brief Analyze an alloca for SROA.
2498 ///
2499 /// This analyzes the alloca to ensure we can reason about it, builds
2500 /// a partitioning of the alloca, and then hands it off to be split and
2501 /// rewritten as needed.
2502 bool SROA::runOnAlloca(AllocaInst &AI) {
2503   DEBUG(dbgs() << "SROA alloca: " << AI << "\n");
2504   ++NumAllocasAnalyzed;
2505
2506   // Special case dead allocas, as they're trivial.
2507   if (AI.use_empty()) {
2508     AI.eraseFromParent();
2509     return true;
2510   }
2511
2512   // Skip alloca forms that this analysis can't handle.
2513   if (AI.isArrayAllocation() || !AI.getAllocatedType()->isSized() ||
2514       TD->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0)
2515     return false;
2516
2517   // First check if this is a non-aggregate type that we should simply promote.
2518   if (!AI.getAllocatedType()->isAggregateType() && isAllocaPromotable(&AI)) {
2519     DEBUG(dbgs() << "  Trivially scalar type, queuing for promotion...\n");
2520     PromotableAllocas.push_back(&AI);
2521     return false;
2522   }
2523
2524   // Build the partition set using a recursive instruction-visiting builder.
2525   AllocaPartitioning P(*TD, AI);
2526   DEBUG(P.print(dbgs()));
2527   if (P.isEscaped())
2528     return false;
2529
2530   // No partitions to split. Leave the dead alloca for a later pass to clean up.
2531   if (P.begin() == P.end())
2532     return false;
2533
2534   // Delete all the dead users of this alloca before splitting and rewriting it.
2535   bool Changed = false;
2536   for (AllocaPartitioning::dead_user_iterator DI = P.dead_user_begin(),
2537                                               DE = P.dead_user_end();
2538        DI != DE; ++DI) {
2539     Changed = true;
2540     (*DI)->replaceAllUsesWith(UndefValue::get((*DI)->getType()));
2541     DeadInsts.push_back(*DI);
2542   }
2543   for (AllocaPartitioning::dead_op_iterator DO = P.dead_op_begin(),
2544                                             DE = P.dead_op_end();
2545        DO != DE; ++DO) {
2546     Value *OldV = **DO;
2547     // Clobber the use with an undef value.
2548     **DO = UndefValue::get(OldV->getType());
2549     if (Instruction *OldI = dyn_cast<Instruction>(OldV))
2550       if (isInstructionTriviallyDead(OldI)) {
2551         Changed = true;
2552         DeadInsts.push_back(OldI);
2553       }
2554   }
2555
2556   return splitAlloca(AI, P) || Changed;
2557 }
2558
2559 void SROA::deleteDeadInstructions() {
2560   DeadSplitInsts.clear();
2561   while (!DeadInsts.empty()) {
2562     Instruction *I = DeadInsts.pop_back_val();
2563     DEBUG(dbgs() << "Deleting dead instruction: " << *I << "\n");
2564
2565     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
2566       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2567         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
2568         *OI = 0;
2569         if (isInstructionTriviallyDead(U))
2570           DeadInsts.push_back(U);
2571       }
2572
2573     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2574       DeletedAllocas.insert(AI);
2575
2576     ++NumDeleted;
2577     I->eraseFromParent();
2578   }
2579 }
2580
2581 namespace {
2582   /// \brief A predicate to test whether an alloca belongs to a set.
2583   class IsAllocaInSet {
2584     typedef SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> SetType;
2585     const SetType &Set;
2586
2587   public:
2588     IsAllocaInSet(const SetType &Set) : Set(Set) {}
2589     bool operator()(AllocaInst *AI) { return Set.count(AI); }
2590   };
2591 }
2592
2593 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
2594   DEBUG(dbgs() << "SROA function: " << F.getName() << "\n");
2595   C = &F.getContext();
2596   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
2597   if (!TD) {
2598     DEBUG(dbgs() << "  Skipping SROA -- no target data!\n");
2599     return false;
2600   }
2601   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2602
2603   BasicBlock &EntryBB = F.getEntryBlock();
2604   for (BasicBlock::iterator I = EntryBB.begin(), E = llvm::prior(EntryBB.end());
2605        I != E; ++I)
2606     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2607       Worklist.insert(AI);
2608
2609   bool Changed = false;
2610   while (!Worklist.empty()) {
2611     Changed |= runOnAlloca(*Worklist.pop_back_val());
2612     deleteDeadInstructions();
2613     if (!DeletedAllocas.empty()) {
2614       PromotableAllocas.erase(std::remove_if(PromotableAllocas.begin(),
2615                                              PromotableAllocas.end(),
2616                                              IsAllocaInSet(DeletedAllocas)),
2617                               PromotableAllocas.end());
2618       DeletedAllocas.clear();
2619     }
2620   }
2621
2622   if (!PromotableAllocas.empty()) {
2623     DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with mem2reg...\n");
2624     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, *DT);
2625     Changed = true;
2626     NumPromoted += PromotableAllocas.size();
2627     PromotableAllocas.clear();
2628   }
2629
2630   return Changed;
2631 }
2632
2633 void SROA::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2634   AU.addRequired<DominatorTree>();
2635   AU.setPreservesCFG();
2636 }