Fix a case where SROA did not correctly detect dead PHI or selects due
[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/CommandLine.h"
51 #include "llvm/Support/Debug.h"
52 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
53 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
54 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
55 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
56 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Target/TargetData.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
61 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
62 using namespace llvm;
63
64 STATISTIC(NumAllocasAnalyzed, "Number of allocas analyzed for replacement");
65 STATISTIC(NumNewAllocas,      "Number of new, smaller allocas introduced");
66 STATISTIC(NumPromoted,        "Number of allocas promoted to SSA values");
67 STATISTIC(NumLoadsSpeculated, "Number of loads speculated to allow promotion");
68 STATISTIC(NumDeleted,         "Number of instructions deleted");
69 STATISTIC(NumVectorized,      "Number of vectorized aggregates");
70
71 /// Hidden option to force the pass to not use DomTree and mem2reg, instead
72 /// forming SSA values through the SSAUpdater infrastructure.
73 static cl::opt<bool>
74 ForceSSAUpdater("force-ssa-updater", cl::init(false), cl::Hidden);
75
76 namespace {
77 /// \brief Alloca partitioning representation.
78 ///
79 /// This class represents a partitioning of an alloca into slices, and
80 /// information about the nature of uses of each slice of the alloca. The goal
81 /// is that this information is sufficient to decide if and how to split the
82 /// alloca apart and replace slices with scalars. It is also intended that this
83 /// structure can capture the relevant information needed both to decide about
84 /// and to enact these transformations.
85 class AllocaPartitioning {
86 public:
87   /// \brief A common base class for representing a half-open byte range.
88   struct ByteRange {
89     /// \brief The beginning offset of the range.
90     uint64_t BeginOffset;
91
92     /// \brief The ending offset, not included in the range.
93     uint64_t EndOffset;
94
95     ByteRange() : BeginOffset(), EndOffset() {}
96     ByteRange(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset)
97         : BeginOffset(BeginOffset), EndOffset(EndOffset) {}
98
99     /// \brief Support for ordering ranges.
100     ///
101     /// This provides an ordering over ranges such that start offsets are
102     /// always increasing, and within equal start offsets, the end offsets are
103     /// decreasing. Thus the spanning range comes first in a cluster with the
104     /// same start position.
105     bool operator<(const ByteRange &RHS) const {
106       if (BeginOffset < RHS.BeginOffset) return true;
107       if (BeginOffset > RHS.BeginOffset) return false;
108       if (EndOffset > RHS.EndOffset) return true;
109       return false;
110     }
111
112     /// \brief Support comparison with a single offset to allow binary searches.
113     friend bool operator<(const ByteRange &LHS, uint64_t RHSOffset) {
114       return LHS.BeginOffset < RHSOffset;
115     }
116
117     friend LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED bool operator<(uint64_t LHSOffset,
118                                                 const ByteRange &RHS) {
119       return LHSOffset < RHS.BeginOffset;
120     }
121
122     bool operator==(const ByteRange &RHS) const {
123       return BeginOffset == RHS.BeginOffset && EndOffset == RHS.EndOffset;
124     }
125     bool operator!=(const ByteRange &RHS) const { return !operator==(RHS); }
126   };
127
128   /// \brief A partition of an alloca.
129   ///
130   /// This structure represents a contiguous partition of the alloca. These are
131   /// formed by examining the uses of the alloca. During formation, they may
132   /// overlap but once an AllocaPartitioning is built, the Partitions within it
133   /// are all disjoint.
134   struct Partition : public ByteRange {
135     /// \brief Whether this partition is splittable into smaller partitions.
136     ///
137     /// We flag partitions as splittable when they are formed entirely due to
138     /// accesses by trivially splittable operations such as memset and memcpy.
139     ///
140     /// FIXME: At some point we should consider loads and stores of FCAs to be
141     /// splittable and eagerly split them into scalar values.
142     bool IsSplittable;
143
144     Partition() : ByteRange(), IsSplittable() {}
145     Partition(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset, bool IsSplittable)
146         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), IsSplittable(IsSplittable) {}
147   };
148
149   /// \brief A particular use of a partition of the alloca.
150   ///
151   /// This structure is used to associate uses of a partition with it. They
152   /// mark the range of bytes which are referenced by a particular instruction,
153   /// and includes a handle to the user itself and the pointer value in use.
154   /// The bounds of these uses are determined by intersecting the bounds of the
155   /// memory use itself with a particular partition. As a consequence there is
156   /// intentionally overlap between various uses of the same partition.
157   struct PartitionUse : public ByteRange {
158     /// \brief The user of this range of the alloca.
159     AssertingVH<Instruction> User;
160
161     /// \brief The particular pointer value derived from this alloca in use.
162     AssertingVH<Instruction> Ptr;
163
164     PartitionUse() : ByteRange(), User(), Ptr() {}
165     PartitionUse(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset,
166                  Instruction *User, Instruction *Ptr)
167         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), User(User), Ptr(Ptr) {}
168   };
169
170   /// \brief Construct a partitioning of a particular alloca.
171   ///
172   /// Construction does most of the work for partitioning the alloca. This
173   /// performs the necessary walks of users and builds a partitioning from it.
174   AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI);
175
176   /// \brief Test whether a pointer to the allocation escapes our analysis.
177   ///
178   /// If this is true, the partitioning is never fully built and should be
179   /// ignored.
180   bool isEscaped() const { return PointerEscapingInstr; }
181
182   /// \brief Support for iterating over the partitions.
183   /// @{
184   typedef SmallVectorImpl<Partition>::iterator iterator;
185   iterator begin() { return Partitions.begin(); }
186   iterator end() { return Partitions.end(); }
187
188   typedef SmallVectorImpl<Partition>::const_iterator const_iterator;
189   const_iterator begin() const { return Partitions.begin(); }
190   const_iterator end() const { return Partitions.end(); }
191   /// @}
192
193   /// \brief Support for iterating over and manipulating a particular
194   /// partition's uses.
195   ///
196   /// The iteration support provided for uses is more limited, but also
197   /// includes some manipulation routines to support rewriting the uses of
198   /// partitions during SROA.
199   /// @{
200   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::iterator use_iterator;
201   use_iterator use_begin(unsigned Idx) { return Uses[Idx].begin(); }
202   use_iterator use_begin(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].begin(); }
203   use_iterator use_end(unsigned Idx) { return Uses[Idx].end(); }
204   use_iterator use_end(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].end(); }
205   void use_push_back(unsigned Idx, const PartitionUse &U) {
206     Uses[Idx].push_back(U);
207   }
208   void use_push_back(const_iterator I, const PartitionUse &U) {
209     Uses[I - begin()].push_back(U);
210   }
211   void use_erase(unsigned Idx, use_iterator UI) { Uses[Idx].erase(UI); }
212   void use_erase(const_iterator I, use_iterator UI) {
213     Uses[I - begin()].erase(UI);
214   }
215
216   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::const_iterator const_use_iterator;
217   const_use_iterator use_begin(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].begin(); }
218   const_use_iterator use_begin(const_iterator I) const {
219     return Uses[I - begin()].begin();
220   }
221   const_use_iterator use_end(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].end(); }
222   const_use_iterator use_end(const_iterator I) const {
223     return Uses[I - begin()].end();
224   }
225   /// @}
226
227   /// \brief Allow iterating the dead users for this alloca.
228   ///
229   /// These are instructions which will never actually use the alloca as they
230   /// are outside the allocated range. They are safe to replace with undef and
231   /// delete.
232   /// @{
233   typedef SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator dead_user_iterator;
234   dead_user_iterator dead_user_begin() const { return DeadUsers.begin(); }
235   dead_user_iterator dead_user_end() const { return DeadUsers.end(); }
236   /// @}
237
238   /// \brief Allow iterating the dead expressions referring to this alloca.
239   ///
240   /// These are operands which have cannot actually be used to refer to the
241   /// alloca as they are outside its range and the user doesn't correct for
242   /// that. These mostly consist of PHI node inputs and the like which we just
243   /// need to replace with undef.
244   /// @{
245   typedef SmallVectorImpl<Use *>::const_iterator dead_op_iterator;
246   dead_op_iterator dead_op_begin() const { return DeadOperands.begin(); }
247   dead_op_iterator dead_op_end() const { return DeadOperands.end(); }
248   /// @}
249
250   /// \brief MemTransferInst auxiliary data.
251   /// This struct provides some auxiliary data about memory transfer
252   /// intrinsics such as memcpy and memmove. These intrinsics can use two
253   /// different ranges within the same alloca, and provide other challenges to
254   /// correctly represent. We stash extra data to help us untangle this
255   /// after the partitioning is complete.
256   struct MemTransferOffsets {
257     uint64_t DestBegin, DestEnd;
258     uint64_t SourceBegin, SourceEnd;
259     bool IsSplittable;
260   };
261   MemTransferOffsets getMemTransferOffsets(MemTransferInst &II) const {
262     return MemTransferInstData.lookup(&II);
263   }
264
265   /// \brief Map from a PHI or select operand back to a partition.
266   ///
267   /// When manipulating PHI nodes or selects, they can use more than one
268   /// partition of an alloca. We store a special mapping to allow finding the
269   /// partition referenced by each of these operands, if any.
270   iterator findPartitionForPHIOrSelectOperand(Instruction &I, Value *Op) {
271     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
272                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
273       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
274     if (MapIt == PHIOrSelectOpMap.end())
275       return end();
276
277     return begin() + MapIt->second.first;
278   }
279
280   /// \brief Map from a PHI or select operand back to the specific use of
281   /// a partition.
282   ///
283   /// Similar to mapping these operands back to the partitions, this maps
284   /// directly to the use structure of that partition.
285   use_iterator findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(Instruction &I,
286                                                      Value *Op) {
287     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
288                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
289       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
290     assert(MapIt != PHIOrSelectOpMap.end());
291     return Uses[MapIt->second.first].begin() + MapIt->second.second;
292   }
293
294   /// \brief Compute a common type among the uses of a particular partition.
295   ///
296   /// This routines walks all of the uses of a particular partition and tries
297   /// to find a common type between them. Untyped operations such as memset and
298   /// memcpy are ignored.
299   Type *getCommonType(iterator I) const;
300
301 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
302   void print(raw_ostream &OS, const_iterator I, StringRef Indent = "  ") const;
303   void printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
304                   StringRef Indent = "  ") const;
305   void print(raw_ostream &OS) const;
306   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump(const_iterator I) const;
307   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump() const;
308 #endif
309
310 private:
311   template <typename DerivedT, typename RetT = void> class BuilderBase;
312   class PartitionBuilder;
313   friend class AllocaPartitioning::PartitionBuilder;
314   class UseBuilder;
315   friend class AllocaPartitioning::UseBuilder;
316
317 #ifndef NDEBUG
318   /// \brief Handle to alloca instruction to simplify method interfaces.
319   AllocaInst &AI;
320 #endif
321
322   /// \brief The instruction responsible for this alloca having no partitioning.
323   ///
324   /// When an instruction (potentially) escapes the pointer to the alloca, we
325   /// store a pointer to that here and abort trying to partition the alloca.
326   /// This will be null if the alloca is partitioned successfully.
327   Instruction *PointerEscapingInstr;
328
329   /// \brief The partitions of the alloca.
330   ///
331   /// We store a vector of the partitions over the alloca here. This vector is
332   /// sorted by increasing begin offset, and then by decreasing end offset. See
333   /// the Partition inner class for more details. Initially (during
334   /// construction) there are overlaps, but we form a disjoint sequence of
335   /// partitions while finishing construction and a fully constructed object is
336   /// expected to always have this as a disjoint space.
337   SmallVector<Partition, 8> Partitions;
338
339   /// \brief The uses of the partitions.
340   ///
341   /// This is essentially a mapping from each partition to a list of uses of
342   /// that partition. The mapping is done with a Uses vector that has the exact
343   /// same number of entries as the partition vector. Each entry is itself
344   /// a vector of the uses.
345   SmallVector<SmallVector<PartitionUse, 2>, 8> Uses;
346
347   /// \brief Instructions which will become dead if we rewrite the alloca.
348   ///
349   /// Note that these are not separated by partition. This is because we expect
350   /// a partitioned alloca to be completely rewritten or not rewritten at all.
351   /// If rewritten, all these instructions can simply be removed and replaced
352   /// with undef as they come from outside of the allocated space.
353   SmallVector<Instruction *, 8> DeadUsers;
354
355   /// \brief Operands which will become dead if we rewrite the alloca.
356   ///
357   /// These are operands that in their particular use can be replaced with
358   /// undef when we rewrite the alloca. These show up in out-of-bounds inputs
359   /// to PHI nodes and the like. They aren't entirely dead (there might be
360   /// a GEP back into the bounds using it elsewhere) and nor is the PHI, but we
361   /// want to swap this particular input for undef to simplify the use lists of
362   /// the alloca.
363   SmallVector<Use *, 8> DeadOperands;
364
365   /// \brief The underlying storage for auxiliary memcpy and memset info.
366   SmallDenseMap<MemTransferInst *, MemTransferOffsets, 4> MemTransferInstData;
367
368   /// \brief A side datastructure used when building up the partitions and uses.
369   ///
370   /// This mapping is only really used during the initial building of the
371   /// partitioning so that we can retain information about PHI and select nodes
372   /// processed.
373   SmallDenseMap<Instruction *, std::pair<uint64_t, bool> > PHIOrSelectSizes;
374
375   /// \brief Auxiliary information for particular PHI or select operands.
376   SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
377                 std::pair<unsigned, unsigned>, 4> PHIOrSelectOpMap;
378
379   /// \brief A utility routine called from the constructor.
380   ///
381   /// This does what it says on the tin. It is the key of the alloca partition
382   /// splitting and merging. After it is called we have the desired disjoint
383   /// collection of partitions.
384   void splitAndMergePartitions();
385 };
386 }
387
388 template <typename DerivedT, typename RetT>
389 class AllocaPartitioning::BuilderBase
390     : public InstVisitor<DerivedT, RetT> {
391 public:
392   BuilderBase(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
393       : TD(TD),
394         AllocSize(TD.getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType())),
395         P(P) {
396     enqueueUsers(AI, 0);
397   }
398
399 protected:
400   const TargetData &TD;
401   const uint64_t AllocSize;
402   AllocaPartitioning &P;
403
404   struct OffsetUse {
405     Use *U;
406     int64_t Offset;
407   };
408   SmallVector<OffsetUse, 8> Queue;
409
410   // The active offset and use while visiting.
411   Use *U;
412   int64_t Offset;
413
414   void enqueueUsers(Instruction &I, int64_t UserOffset) {
415     SmallPtrSet<User *, 8> UserSet;
416     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
417          UI != UE; ++UI) {
418       if (!UserSet.insert(*UI))
419         continue;
420
421       OffsetUse OU = { &UI.getUse(), UserOffset };
422       Queue.push_back(OU);
423     }
424   }
425
426   bool computeConstantGEPOffset(GetElementPtrInst &GEPI, int64_t &GEPOffset) {
427     GEPOffset = Offset;
428     for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEPI), GTE = gep_type_end(GEPI);
429          GTI != GTE; ++GTI) {
430       ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
431       if (!OpC)
432         return false;
433       if (OpC->isZero())
434         continue;
435
436       // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
437       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
438         unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
439         const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
440         uint64_t ElementOffset = SL->getElementOffset(ElementIdx);
441         // Check that we can continue to model this GEP in a signed 64-bit offset.
442         if (ElementOffset > INT64_MAX ||
443             (GEPOffset >= 0 &&
444              ((uint64_t)GEPOffset + ElementOffset) > INT64_MAX)) {
445           DEBUG(dbgs() << "WARNING: Encountered a cumulative offset exceeding "
446                        << "what can be represented in an int64_t!\n"
447                        << "  alloca: " << P.AI << "\n");
448           return false;
449         }
450         if (GEPOffset < 0)
451           GEPOffset = ElementOffset + (uint64_t)-GEPOffset;
452         else
453           GEPOffset += ElementOffset;
454         continue;
455       }
456
457       APInt Index = OpC->getValue().sextOrTrunc(TD.getPointerSizeInBits());
458       Index *= APInt(Index.getBitWidth(),
459                      TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
460       Index += APInt(Index.getBitWidth(), (uint64_t)GEPOffset,
461                      /*isSigned*/true);
462       // Check if the result can be stored in our int64_t offset.
463       if (!Index.isSignedIntN(sizeof(GEPOffset) * 8)) {
464         DEBUG(dbgs() << "WARNING: Encountered a cumulative offset exceeding "
465                      << "what can be represented in an int64_t!\n"
466                      << "  alloca: " << P.AI << "\n");
467         return false;
468       }
469
470       GEPOffset = Index.getSExtValue();
471     }
472     return true;
473   }
474
475   Value *foldSelectInst(SelectInst &SI) {
476     // If the condition being selected on is a constant or the same value is
477     // being selected between, fold the select. Yes this does (rarely) happen
478     // early on.
479     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI.getCondition()))
480       return SI.getOperand(1+CI->isZero());
481     if (SI.getOperand(1) == SI.getOperand(2)) {
482       assert(*U == SI.getOperand(1));
483       return SI.getOperand(1);
484     }
485     return 0;
486   }
487 };
488
489 /// \brief Builder for the alloca partitioning.
490 ///
491 /// This class builds an alloca partitioning by recursively visiting the uses
492 /// of an alloca and splitting the partitions for each load and store at each
493 /// offset.
494 class AllocaPartitioning::PartitionBuilder
495     : public BuilderBase<PartitionBuilder, bool> {
496   friend class InstVisitor<PartitionBuilder, bool>;
497
498   SmallDenseMap<Instruction *, unsigned> MemTransferPartitionMap;
499
500 public:
501   PartitionBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
502       : BuilderBase<PartitionBuilder, bool>(TD, AI, P) {}
503
504   /// \brief Run the builder over the allocation.
505   bool operator()() {
506     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
507     // the queue grows at the tail.
508     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
509       U = Queue[Idx].U;
510       Offset = Queue[Idx].Offset;
511       if (!visit(cast<Instruction>(U->getUser())))
512         return false;
513     }
514     return true;
515   }
516
517 private:
518   bool markAsEscaping(Instruction &I) {
519     P.PointerEscapingInstr = &I;
520     return false;
521   }
522
523   void insertUse(Instruction &I, int64_t Offset, uint64_t Size,
524                  bool IsSplittable = false) {
525     // Completely skip uses which have a zero size or don't overlap the
526     // allocation.
527     if (Size == 0 ||
528         (Offset >= 0 && (uint64_t)Offset >= AllocSize) ||
529         (Offset < 0 && (uint64_t)-Offset >= Size)) {
530       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte use @" << Offset
531                    << " which starts past the end of the " << AllocSize
532                    << " byte alloca:\n"
533                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
534                    << "       use: " << I << "\n");
535       return;
536     }
537
538     // Clamp the start to the beginning of the allocation.
539     if (Offset < 0) {
540       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
541                    << " to start at the beginning of the alloca:\n"
542                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
543                    << "       use: " << I << "\n");
544       Size -= (uint64_t)-Offset;
545       Offset = 0;
546     }
547
548     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = BeginOffset + Size;
549
550     // Clamp the end offset to the end of the allocation. Note that this is
551     // formulated to handle even the case where "BeginOffset + Size" overflows.
552     assert(AllocSize >= BeginOffset); // Established above.
553     if (Size > AllocSize - BeginOffset) {
554       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
555                    << " to remain within the " << AllocSize << " byte alloca:\n"
556                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
557                    << "       use: " << I << "\n");
558       EndOffset = AllocSize;
559     }
560
561     // See if we can just add a user onto the last slot currently occupied.
562     if (!P.Partitions.empty() &&
563         P.Partitions.back().BeginOffset == BeginOffset &&
564         P.Partitions.back().EndOffset == EndOffset) {
565       P.Partitions.back().IsSplittable &= IsSplittable;
566       return;
567     }
568
569     Partition New(BeginOffset, EndOffset, IsSplittable);
570     P.Partitions.push_back(New);
571   }
572
573   bool handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I, int64_t Offset) {
574     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
575
576     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
577     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
578     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
579     // behavior of insertUse. We also try to handle cases which might run the
580     // risk of overflow.
581     // FIXME: We should instead consider the pointer to have escaped if this
582     // function is being instrumented for addressing bugs or race conditions.
583     if (Offset < 0 || (uint64_t)Offset >= AllocSize ||
584         Size > (AllocSize - (uint64_t)Offset)) {
585       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte "
586                    << (isa<LoadInst>(I) ? "load" : "store") << " @" << Offset
587                    << " which extends past the end of the " << AllocSize
588                    << " byte alloca:\n"
589                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
590                    << "       use: " << I << "\n");
591       return true;
592     }
593
594     insertUse(I, Offset, Size);
595     return true;
596   }
597
598   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
599     enqueueUsers(BC, Offset);
600     return true;
601   }
602
603   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
604     int64_t GEPOffset;
605     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
606       return markAsEscaping(GEPI);
607
608     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
609     return true;
610   }
611
612   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
613     assert((!LI.isSimple() || LI.getType()->isSingleValueType()) &&
614            "All simple FCA loads should have been pre-split");
615     return handleLoadOrStore(LI.getType(), LI, Offset);
616   }
617
618   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
619     Value *ValOp = SI.getValueOperand();
620     if (ValOp == *U)
621       return markAsEscaping(SI);
622
623     assert((!SI.isSimple() || ValOp->getType()->isSingleValueType()) &&
624            "All simple FCA stores should have been pre-split");
625     return handleLoadOrStore(ValOp->getType(), SI, Offset);
626   }
627
628
629   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
630     assert(II.getRawDest() == *U && "Pointer use is not the destination?");
631     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
632     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
633     insertUse(II, Offset, Size, Length);
634     return true;
635   }
636
637   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
638     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
639     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
640     if (!Size)
641       // Zero-length mem transfer intrinsics can be ignored entirely.
642       return true;
643
644     MemTransferOffsets &Offsets = P.MemTransferInstData[&II];
645
646     // Only intrinsics with a constant length can be split.
647     Offsets.IsSplittable = Length;
648
649     if (*U != II.getRawDest()) {
650       assert(*U == II.getRawSource());
651       Offsets.SourceBegin = Offset;
652       Offsets.SourceEnd = Offset + Size;
653     } else {
654       Offsets.DestBegin = Offset;
655       Offsets.DestEnd = Offset + Size;
656     }
657
658     insertUse(II, Offset, Size, Offsets.IsSplittable);
659     unsigned NewIdx = P.Partitions.size() - 1;
660
661     SmallDenseMap<Instruction *, unsigned>::const_iterator PMI;
662     bool Inserted = false;
663     llvm::tie(PMI, Inserted)
664       = MemTransferPartitionMap.insert(std::make_pair(&II, NewIdx));
665     if (!Inserted && Offsets.IsSplittable) {
666       // We've found a memory transfer intrinsic which refers to the alloca as
667       // both a source and dest. We refuse to split these to simplify splitting
668       // logic. If possible, SROA will still split them into separate allocas
669       // and then re-analyze.
670       Offsets.IsSplittable = false;
671       P.Partitions[PMI->second].IsSplittable = false;
672       P.Partitions[NewIdx].IsSplittable = false;
673     }
674
675     return true;
676   }
677
678   // Disable SRoA for any intrinsics except for lifetime invariants.
679   // FIXME: What about debug instrinsics? This matches old behavior, but
680   // doesn't make sense.
681   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
682     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
683         II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
684       ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
685       uint64_t Size = std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue());
686       insertUse(II, Offset, Size, true);
687       return true;
688     }
689
690     return markAsEscaping(II);
691   }
692
693   Instruction *hasUnsafePHIOrSelectUse(Instruction *Root, uint64_t &Size) {
694     // We consider any PHI or select that results in a direct load or store of
695     // the same offset to be a viable use for partitioning purposes. These uses
696     // are considered unsplittable and the size is the maximum loaded or stored
697     // size.
698     SmallPtrSet<Instruction *, 4> Visited;
699     SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 4> Uses;
700     Visited.insert(Root);
701     Uses.push_back(std::make_pair(cast<Instruction>(*U), Root));
702     // If there are no loads or stores, the access is dead. We mark that as
703     // a size zero access.
704     Size = 0;
705     do {
706       Instruction *I, *UsedI;
707       llvm::tie(UsedI, I) = Uses.pop_back_val();
708
709       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
710         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(LI->getType()));
711         continue;
712       }
713       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
714         Value *Op = SI->getOperand(0);
715         if (Op == UsedI)
716           return SI;
717         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(Op->getType()));
718         continue;
719       }
720
721       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
722         if (!GEP->hasAllZeroIndices())
723           return GEP;
724       } else if (!isa<BitCastInst>(I) && !isa<PHINode>(I) &&
725                  !isa<SelectInst>(I)) {
726         return I;
727       }
728
729       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end(); UI != UE;
730            ++UI)
731         if (Visited.insert(cast<Instruction>(*UI)))
732           Uses.push_back(std::make_pair(I, cast<Instruction>(*UI)));
733     } while (!Uses.empty());
734
735     return 0;
736   }
737
738   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
739     // See if we already have computed info on this node.
740     std::pair<uint64_t, bool> &PHIInfo = P.PHIOrSelectSizes[&PN];
741     if (PHIInfo.first) {
742       PHIInfo.second = true;
743       insertUse(PN, Offset, PHIInfo.first);
744       return true;
745     }
746
747     // Check for an unsafe use of the PHI node.
748     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&PN, PHIInfo.first))
749       return markAsEscaping(*EscapingI);
750
751     insertUse(PN, Offset, PHIInfo.first);
752     return true;
753   }
754
755   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
756     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
757       if (Result == *U)
758         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
759         // through the select as if we had RAUW'ed it.
760         enqueueUsers(SI, Offset);
761
762       return true;
763     }
764
765     // See if we already have computed info on this node.
766     std::pair<uint64_t, bool> &SelectInfo = P.PHIOrSelectSizes[&SI];
767     if (SelectInfo.first) {
768       SelectInfo.second = true;
769       insertUse(SI, Offset, SelectInfo.first);
770       return true;
771     }
772
773     // Check for an unsafe use of the PHI node.
774     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&SI, SelectInfo.first))
775       return markAsEscaping(*EscapingI);
776
777     insertUse(SI, Offset, SelectInfo.first);
778     return true;
779   }
780
781   /// \brief Disable SROA entirely if there are unhandled users of the alloca.
782   bool visitInstruction(Instruction &I) { return markAsEscaping(I); }
783 };
784
785
786 /// \brief Use adder for the alloca partitioning.
787 ///
788 /// This class adds the uses of an alloca to all of the partitions which they
789 /// use. For splittable partitions, this can end up doing essentially a linear
790 /// walk of the partitions, but the number of steps remains bounded by the
791 /// total result instruction size:
792 /// - The number of partitions is a result of the number unsplittable
793 ///   instructions using the alloca.
794 /// - The number of users of each partition is at worst the total number of
795 ///   splittable instructions using the alloca.
796 /// Thus we will produce N * M instructions in the end, where N are the number
797 /// of unsplittable uses and M are the number of splittable. This visitor does
798 /// the exact same number of updates to the partitioning.
799 ///
800 /// In the more common case, this visitor will leverage the fact that the
801 /// partition space is pre-sorted, and do a logarithmic search for the
802 /// partition needed, making the total visit a classical ((N + M) * log(N))
803 /// complexity operation.
804 class AllocaPartitioning::UseBuilder : public BuilderBase<UseBuilder> {
805   friend class InstVisitor<UseBuilder>;
806
807   /// \brief Set to de-duplicate dead instructions found in the use walk.
808   SmallPtrSet<Instruction *, 4> VisitedDeadInsts;
809
810 public:
811   UseBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
812       : BuilderBase<UseBuilder>(TD, AI, P) {}
813
814   /// \brief Run the builder over the allocation.
815   void operator()() {
816     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
817     // the queue grows at the tail.
818     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
819       U = Queue[Idx].U;
820       Offset = Queue[Idx].Offset;
821       this->visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
822     }
823   }
824
825 private:
826   void markAsDead(Instruction &I) {
827     if (VisitedDeadInsts.insert(&I))
828       P.DeadUsers.push_back(&I);
829   }
830
831   void insertUse(Instruction &User, int64_t Offset, uint64_t Size) {
832     // If the use has a zero size or extends outside of the allocation, record
833     // it as a dead use for elimination later.
834     if (Size == 0 || (uint64_t)Offset >= AllocSize ||
835         (Offset < 0 && (uint64_t)-Offset >= Size))
836       return markAsDead(User);
837
838     // Clamp the start to the beginning of the allocation.
839     if (Offset < 0) {
840       Size -= (uint64_t)-Offset;
841       Offset = 0;
842     }
843
844     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = BeginOffset + Size;
845
846     // Clamp the end offset to the end of the allocation. Note that this is
847     // formulated to handle even the case where "BeginOffset + Size" overflows.
848     assert(AllocSize >= BeginOffset); // Established above.
849     if (Size > AllocSize - BeginOffset)
850       EndOffset = AllocSize;
851
852     // NB: This only works if we have zero overlapping partitions.
853     iterator B = std::lower_bound(P.begin(), P.end(), BeginOffset);
854     if (B != P.begin() && llvm::prior(B)->EndOffset > BeginOffset)
855       B = llvm::prior(B);
856     for (iterator I = B, E = P.end(); I != E && I->BeginOffset < EndOffset;
857          ++I) {
858       PartitionUse NewUse(std::max(I->BeginOffset, BeginOffset),
859                           std::min(I->EndOffset, EndOffset),
860                           &User, cast<Instruction>(*U));
861       P.use_push_back(I, NewUse);
862       if (isa<PHINode>(U->getUser()) || isa<SelectInst>(U->getUser()))
863         P.PHIOrSelectOpMap[std::make_pair(&User, U->get())]
864           = std::make_pair(I - P.begin(), P.Uses[I - P.begin()].size() - 1);
865     }
866   }
867
868   void handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I, int64_t Offset) {
869     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
870
871     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
872     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
873     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
874     // behavior of insertUse.
875     if (Offset < 0 || (uint64_t)Offset >= AllocSize ||
876         Size > (AllocSize - (uint64_t)Offset))
877       return markAsDead(I);
878
879     insertUse(I, Offset, Size);
880   }
881
882   void visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
883     if (BC.use_empty())
884       return markAsDead(BC);
885
886     enqueueUsers(BC, Offset);
887   }
888
889   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
890     if (GEPI.use_empty())
891       return markAsDead(GEPI);
892
893     int64_t GEPOffset;
894     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
895       llvm_unreachable("Unable to compute constant offset for use");
896
897     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
898   }
899
900   void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
901     handleLoadOrStore(LI.getType(), LI, Offset);
902   }
903
904   void visitStoreInst(StoreInst &SI) {
905     handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI, Offset);
906   }
907
908   void visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
909     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
910     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
911     insertUse(II, Offset, Size);
912   }
913
914   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
915     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
916     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
917     insertUse(II, Offset, Size);
918   }
919
920   void visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
921     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
922            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
923
924     ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
925     insertUse(II, Offset,
926               std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue()));
927   }
928
929   void insertPHIOrSelect(Instruction &User, uint64_t Offset) {
930     uint64_t Size = P.PHIOrSelectSizes.lookup(&User).first;
931
932     // For PHI and select operands outside the alloca, we can't nuke the entire
933     // phi or select -- the other side might still be relevant, so we special
934     // case them here and use a separate structure to track the operands
935     // themselves which should be replaced with undef.
936     if (Offset >= AllocSize) {
937       P.DeadOperands.push_back(U);
938       return;
939     }
940
941     insertUse(User, Offset, Size);
942   }
943   void visitPHINode(PHINode &PN) {
944     if (PN.use_empty())
945       return markAsDead(PN);
946
947     insertPHIOrSelect(PN, Offset);
948   }
949   void visitSelectInst(SelectInst &SI) {
950     if (SI.use_empty())
951       return markAsDead(SI);
952
953     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
954       if (Result == *U)
955         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
956         // through the select as if we had RAUW'ed it.
957         enqueueUsers(SI, Offset);
958       else
959         // Otherwise the operand to the select is dead, and we can replace it
960         // with undef.
961         P.DeadOperands.push_back(U);
962
963       return;
964     }
965
966     insertPHIOrSelect(SI, Offset);
967   }
968
969   /// \brief Unreachable, we've already visited the alloca once.
970   void visitInstruction(Instruction &I) {
971     llvm_unreachable("Unhandled instruction in use builder.");
972   }
973 };
974
975 void AllocaPartitioning::splitAndMergePartitions() {
976   size_t NumDeadPartitions = 0;
977
978   // Track the range of splittable partitions that we pass when accumulating
979   // overlapping unsplittable partitions.
980   uint64_t SplitEndOffset = 0ull;
981
982   Partition New(0ull, 0ull, false);
983
984   for (unsigned i = 0, j = i, e = Partitions.size(); i != e; i = j) {
985     ++j;
986
987     if (!Partitions[i].IsSplittable || New.BeginOffset == New.EndOffset) {
988       assert(New.BeginOffset == New.EndOffset);
989       New = Partitions[i];
990     } else {
991       assert(New.IsSplittable);
992       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[i].EndOffset);
993     }
994     assert(New.BeginOffset != New.EndOffset);
995
996     // Scan the overlapping partitions.
997     while (j != e && New.EndOffset > Partitions[j].BeginOffset) {
998       // If the new partition we are forming is splittable, stop at the first
999       // unsplittable partition.
1000       if (New.IsSplittable && !Partitions[j].IsSplittable)
1001         break;
1002
1003       // Grow the new partition to include any equally splittable range. 'j' is
1004       // always equally splittable when New is splittable, but when New is not
1005       // splittable, we may subsume some (or part of some) splitable partition
1006       // without growing the new one.
1007       if (New.IsSplittable == Partitions[j].IsSplittable) {
1008         New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[j].EndOffset);
1009       } else {
1010         assert(!New.IsSplittable);
1011         assert(Partitions[j].IsSplittable);
1012         SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, Partitions[j].EndOffset);
1013       }
1014
1015       Partitions[j].BeginOffset = Partitions[j].EndOffset = UINT64_MAX;
1016       ++NumDeadPartitions;
1017       ++j;
1018     }
1019
1020     // If the new partition is splittable, chop off the end as soon as the
1021     // unsplittable subsequent partition starts and ensure we eventually cover
1022     // the splittable area.
1023     if (j != e && New.IsSplittable) {
1024       SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, New.EndOffset);
1025       New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
1026     }
1027
1028     // Add the new partition if it differs from the original one and is
1029     // non-empty. We can end up with an empty partition here if it was
1030     // splittable but there is an unsplittable one that starts at the same
1031     // offset.
1032     if (New != Partitions[i]) {
1033       if (New.BeginOffset != New.EndOffset)
1034         Partitions.push_back(New);
1035       // Mark the old one for removal.
1036       Partitions[i].BeginOffset = Partitions[i].EndOffset = UINT64_MAX;
1037       ++NumDeadPartitions;
1038     }
1039
1040     New.BeginOffset = New.EndOffset;
1041     if (!New.IsSplittable) {
1042       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, SplitEndOffset);
1043       if (j != e && !Partitions[j].IsSplittable)
1044         New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
1045       New.IsSplittable = true;
1046       // If there is a trailing splittable partition which won't be fused into
1047       // the next splittable partition go ahead and add it onto the partitions
1048       // list.
1049       if (New.BeginOffset < New.EndOffset &&
1050           (j == e || !Partitions[j].IsSplittable ||
1051            New.EndOffset < Partitions[j].BeginOffset)) {
1052         Partitions.push_back(New);
1053         New.BeginOffset = New.EndOffset = 0ull;
1054       }
1055     }
1056   }
1057
1058   // Re-sort the partitions now that they have been split and merged into
1059   // disjoint set of partitions. Also remove any of the dead partitions we've
1060   // replaced in the process.
1061   std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1062   if (NumDeadPartitions) {
1063     assert(Partitions.back().BeginOffset == UINT64_MAX);
1064     assert(Partitions.back().EndOffset == UINT64_MAX);
1065     assert((ptrdiff_t)NumDeadPartitions ==
1066            std::count(Partitions.begin(), Partitions.end(), Partitions.back()));
1067   }
1068   Partitions.erase(Partitions.end() - NumDeadPartitions, Partitions.end());
1069 }
1070
1071 AllocaPartitioning::AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI)
1072     :
1073 #ifndef NDEBUG
1074       AI(AI),
1075 #endif
1076       PointerEscapingInstr(0) {
1077   PartitionBuilder PB(TD, AI, *this);
1078   if (!PB())
1079     return;
1080
1081   if (Partitions.size() > 1) {
1082     // Sort the uses. This arranges for the offsets to be in ascending order,
1083     // and the sizes to be in descending order.
1084     std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1085
1086     // Intersect splittability for all partitions with equal offsets and sizes.
1087     // Then remove all but the first so that we have a sequence of non-equal but
1088     // potentially overlapping partitions.
1089     for (iterator I = Partitions.begin(), J = I, E = Partitions.end(); I != E;
1090          I = J) {
1091       ++J;
1092       while (J != E && *I == *J) {
1093         I->IsSplittable &= J->IsSplittable;
1094         ++J;
1095       }
1096     }
1097     Partitions.erase(std::unique(Partitions.begin(), Partitions.end()),
1098                      Partitions.end());
1099
1100     // Split splittable and merge unsplittable partitions into a disjoint set
1101     // of partitions over the used space of the allocation.
1102     splitAndMergePartitions();
1103   }
1104
1105   // Now build up the user lists for each of these disjoint partitions by
1106   // re-walking the recursive users of the alloca.
1107   Uses.resize(Partitions.size());
1108   UseBuilder UB(TD, AI, *this);
1109   UB();
1110 }
1111
1112 Type *AllocaPartitioning::getCommonType(iterator I) const {
1113   Type *Ty = 0;
1114   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I); UI != UE; ++UI) {
1115     if (isa<IntrinsicInst>(*UI->User))
1116       continue;
1117     if (UI->BeginOffset != I->BeginOffset || UI->EndOffset != I->EndOffset)
1118       continue;
1119
1120     Type *UserTy = 0;
1121     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*UI->User)) {
1122       UserTy = LI->getType();
1123     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*UI->User)) {
1124       UserTy = SI->getValueOperand()->getType();
1125     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(&*UI->User)) {
1126       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(SI->getType()))
1127         UserTy = PtrTy->getElementType();
1128     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&*UI->User)) {
1129       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(PN->getType()))
1130         UserTy = PtrTy->getElementType();
1131     }
1132
1133     if (Ty && Ty != UserTy)
1134       return 0;
1135
1136     Ty = UserTy;
1137   }
1138   return Ty;
1139 }
1140
1141 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1142
1143 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1144                                StringRef Indent) const {
1145   OS << Indent << "partition #" << (I - begin())
1146      << " [" << I->BeginOffset << "," << I->EndOffset << ")"
1147      << (I->IsSplittable ? " (splittable)" : "")
1148      << (Uses[I - begin()].empty() ? " (zero uses)" : "")
1149      << "\n";
1150 }
1151
1152 void AllocaPartitioning::printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1153                                     StringRef Indent) const {
1154   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I);
1155        UI != UE; ++UI) {
1156     OS << Indent << "  [" << UI->BeginOffset << "," << UI->EndOffset << ") "
1157        << "used by: " << *UI->User << "\n";
1158     if (MemTransferInst *II = dyn_cast<MemTransferInst>(&*UI->User)) {
1159       const MemTransferOffsets &MTO = MemTransferInstData.lookup(II);
1160       bool IsDest;
1161       if (!MTO.IsSplittable)
1162         IsDest = UI->BeginOffset == MTO.DestBegin;
1163       else
1164         IsDest = MTO.DestBegin != 0u;
1165       OS << Indent << "    (original " << (IsDest ? "dest" : "source") << ": "
1166          << "[" << (IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin)
1167          << "," << (IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd) << ")\n";
1168     }
1169   }
1170 }
1171
1172 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS) const {
1173   if (PointerEscapingInstr) {
1174     OS << "No partitioning for alloca: " << AI << "\n"
1175        << "  A pointer to this alloca escaped by:\n"
1176        << "  " << *PointerEscapingInstr << "\n";
1177     return;
1178   }
1179
1180   OS << "Partitioning of alloca: " << AI << "\n";
1181   unsigned Num = 0;
1182   for (const_iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I, ++Num) {
1183     print(OS, I);
1184     printUsers(OS, I);
1185   }
1186 }
1187
1188 void AllocaPartitioning::dump(const_iterator I) const { print(dbgs(), I); }
1189 void AllocaPartitioning::dump() const { print(dbgs()); }
1190
1191 #endif // !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1192
1193
1194 namespace {
1195 /// \brief Implementation of LoadAndStorePromoter for promoting allocas.
1196 ///
1197 /// This subclass of LoadAndStorePromoter adds overrides to handle promoting
1198 /// the loads and stores of an alloca instruction, as well as updating its
1199 /// debug information. This is used when a domtree is unavailable and thus
1200 /// mem2reg in its full form can't be used to handle promotion of allocas to
1201 /// scalar values.
1202 class AllocaPromoter : public LoadAndStorePromoter {
1203   AllocaInst &AI;
1204   DIBuilder &DIB;
1205
1206   SmallVector<DbgDeclareInst *, 4> DDIs;
1207   SmallVector<DbgValueInst *, 4> DVIs;
1208
1209 public:
1210   AllocaPromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
1211                  AllocaInst &AI, DIBuilder &DIB)
1212     : LoadAndStorePromoter(Insts, S), AI(AI), DIB(DIB) {}
1213
1214   void run(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) {
1215     // Remember which alloca we're promoting (for isInstInList).
1216     if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(AI.getContext(), &AI)) {
1217       for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
1218                                UE = DebugNode->use_end();
1219            UI != UE; ++UI)
1220         if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
1221           DDIs.push_back(DDI);
1222         else if (DbgValueInst *DVI = dyn_cast<DbgValueInst>(*UI))
1223           DVIs.push_back(DVI);
1224     }
1225
1226     LoadAndStorePromoter::run(Insts);
1227     AI.eraseFromParent();
1228     while (!DDIs.empty())
1229       DDIs.pop_back_val()->eraseFromParent();
1230     while (!DVIs.empty())
1231       DVIs.pop_back_val()->eraseFromParent();
1232   }
1233
1234   virtual bool isInstInList(Instruction *I,
1235                             const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const {
1236     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1237       return LI->getOperand(0) == &AI;
1238     return cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand() == &AI;
1239   }
1240
1241   virtual void updateDebugInfo(Instruction *Inst) const {
1242     for (SmallVector<DbgDeclareInst *, 4>::const_iterator I = DDIs.begin(),
1243            E = DDIs.end(); I != E; ++I) {
1244       DbgDeclareInst *DDI = *I;
1245       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
1246         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1247       else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
1248         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, LI, DIB);
1249     }
1250     for (SmallVector<DbgValueInst *, 4>::const_iterator I = DVIs.begin(),
1251            E = DVIs.end(); I != E; ++I) {
1252       DbgValueInst *DVI = *I;
1253       Value *Arg = NULL;
1254       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
1255         // If an argument is zero extended then use argument directly. The ZExt
1256         // may be zapped by an optimization pass in future.
1257         if (ZExtInst *ZExt = dyn_cast<ZExtInst>(SI->getOperand(0)))
1258           Arg = dyn_cast<Argument>(ZExt->getOperand(0));
1259         if (SExtInst *SExt = dyn_cast<SExtInst>(SI->getOperand(0)))
1260           Arg = dyn_cast<Argument>(SExt->getOperand(0));
1261         if (!Arg)
1262           Arg = SI->getOperand(0);
1263       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
1264         Arg = LI->getOperand(0);
1265       } else {
1266         continue;
1267       }
1268       Instruction *DbgVal =
1269         DIB.insertDbgValueIntrinsic(Arg, 0, DIVariable(DVI->getVariable()),
1270                                      Inst);
1271       DbgVal->setDebugLoc(DVI->getDebugLoc());
1272     }
1273   }
1274 };
1275 } // end anon namespace
1276
1277
1278 namespace {
1279 /// \brief An optimization pass providing Scalar Replacement of Aggregates.
1280 ///
1281 /// This pass takes allocations which can be completely analyzed (that is, they
1282 /// don't escape) and tries to turn them into scalar SSA values. There are
1283 /// a few steps to this process.
1284 ///
1285 /// 1) It takes allocations of aggregates and analyzes the ways in which they
1286 ///    are used to try to split them into smaller allocations, ideally of
1287 ///    a single scalar data type. It will split up memcpy and memset accesses
1288 ///    as necessary and try to isolate invidual scalar accesses.
1289 /// 2) It will transform accesses into forms which are suitable for SSA value
1290 ///    promotion. This can be replacing a memset with a scalar store of an
1291 ///    integer value, or it can involve speculating operations on a PHI or
1292 ///    select to be a PHI or select of the results.
1293 /// 3) Finally, this will try to detect a pattern of accesses which map cleanly
1294 ///    onto insert and extract operations on a vector value, and convert them to
1295 ///    this form. By doing so, it will enable promotion of vector aggregates to
1296 ///    SSA vector values.
1297 class SROA : public FunctionPass {
1298   const bool RequiresDomTree;
1299
1300   LLVMContext *C;
1301   const TargetData *TD;
1302   DominatorTree *DT;
1303
1304   /// \brief Worklist of alloca instructions to simplify.
1305   ///
1306   /// Each alloca in the function is added to this. Each new alloca formed gets
1307   /// added to it as well to recursively simplify unless that alloca can be
1308   /// directly promoted. Finally, each time we rewrite a use of an alloca other
1309   /// the one being actively rewritten, we add it back onto the list if not
1310   /// already present to ensure it is re-visited.
1311   SetVector<AllocaInst *, SmallVector<AllocaInst *, 16> > Worklist;
1312
1313   /// \brief A collection of instructions to delete.
1314   /// We try to batch deletions to simplify code and make things a bit more
1315   /// efficient.
1316   SmallVector<Instruction *, 8> DeadInsts;
1317
1318   /// \brief A set to prevent repeatedly marking an instruction split into many
1319   /// uses as dead. Only used to guard insertion into DeadInsts.
1320   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadSplitInsts;
1321
1322   /// \brief A collection of alloca instructions we can directly promote.
1323   std::vector<AllocaInst *> PromotableAllocas;
1324
1325 public:
1326   SROA(bool RequiresDomTree = true)
1327       : FunctionPass(ID), RequiresDomTree(RequiresDomTree),
1328         C(0), TD(0), DT(0) {
1329     initializeSROAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1330   }
1331   bool runOnFunction(Function &F);
1332   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
1333
1334   const char *getPassName() const { return "SROA"; }
1335   static char ID;
1336
1337 private:
1338   friend class AllocaPartitionRewriter;
1339   friend class AllocaPartitionVectorRewriter;
1340
1341   bool rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
1342                               AllocaPartitioning &P,
1343                               AllocaPartitioning::iterator PI);
1344   bool splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P);
1345   bool runOnAlloca(AllocaInst &AI);
1346   void deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> &DeletedAllocas);
1347   bool promoteAllocas(Function &F);
1348 };
1349 }
1350
1351 char SROA::ID = 0;
1352
1353 FunctionPass *llvm::createSROAPass(bool RequiresDomTree) {
1354   return new SROA(RequiresDomTree);
1355 }
1356
1357 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1358                       false, false)
1359 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
1360 INITIALIZE_PASS_END(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1361                     false, false)
1362
1363 /// \brief Accumulate the constant offsets in a GEP into a single APInt offset.
1364 ///
1365 /// If the provided GEP is all-constant, the total byte offset formed by the
1366 /// GEP is computed and Offset is set to it. If the GEP has any non-constant
1367 /// operands, the function returns false and the value of Offset is unmodified.
1368 static bool accumulateGEPOffsets(const TargetData &TD, GEPOperator &GEP,
1369                                  APInt &Offset) {
1370   APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1371   for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP), GTE = gep_type_end(GEP);
1372        GTI != GTE; ++GTI) {
1373     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
1374     if (!OpC)
1375       return false;
1376     if (OpC->isZero()) continue;
1377
1378     // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
1379     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
1380       unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
1381       const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1382       GEPOffset += APInt(Offset.getBitWidth(),
1383                          SL->getElementOffset(ElementIdx));
1384       continue;
1385     }
1386
1387     APInt TypeSize(Offset.getBitWidth(),
1388                    TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
1389     if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(*GTI)) {
1390       assert((VTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1391              "vector element size is not a multiple of 8, cannot GEP over it");
1392       TypeSize = VTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1393     }
1394
1395     GEPOffset += OpC->getValue().sextOrTrunc(Offset.getBitWidth()) * TypeSize;
1396   }
1397   Offset = GEPOffset;
1398   return true;
1399 }
1400
1401 /// \brief Build a GEP out of a base pointer and indices.
1402 ///
1403 /// This will return the BasePtr if that is valid, or build a new GEP
1404 /// instruction using the IRBuilder if GEP-ing is needed.
1405 static Value *buildGEP(IRBuilder<> &IRB, Value *BasePtr,
1406                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1407                        const Twine &Prefix) {
1408   if (Indices.empty())
1409     return BasePtr;
1410
1411   // A single zero index is a no-op, so check for this and avoid building a GEP
1412   // in that case.
1413   if (Indices.size() == 1 && cast<ConstantInt>(Indices.back())->isZero())
1414     return BasePtr;
1415
1416   return IRB.CreateInBoundsGEP(BasePtr, Indices, Prefix + ".idx");
1417 }
1418
1419 /// \brief Get a natural GEP off of the BasePtr walking through Ty toward
1420 /// TargetTy without changing the offset of the pointer.
1421 ///
1422 /// This routine assumes we've already established a properly offset GEP with
1423 /// Indices, and arrived at the Ty type. The goal is to continue to GEP with
1424 /// zero-indices down through type layers until we find one the same as
1425 /// TargetTy. If we can't find one with the same type, we at least try to use
1426 /// one with the same size. If none of that works, we just produce the GEP as
1427 /// indicated by Indices to have the correct offset.
1428 static Value *getNaturalGEPWithType(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1429                                     Value *BasePtr, Type *Ty, Type *TargetTy,
1430                                     SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1431                                     const Twine &Prefix) {
1432   if (Ty == TargetTy)
1433     return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1434
1435   // See if we can descend into a struct and locate a field with the correct
1436   // type.
1437   unsigned NumLayers = 0;
1438   Type *ElementTy = Ty;
1439   do {
1440     if (ElementTy->isPointerTy())
1441       break;
1442     if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(ElementTy)) {
1443       ElementTy = SeqTy->getElementType();
1444       Indices.push_back(IRB.getInt(APInt(TD.getPointerSizeInBits(), 0)));
1445     } else if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElementTy)) {
1446       ElementTy = *STy->element_begin();
1447       Indices.push_back(IRB.getInt32(0));
1448     } else {
1449       break;
1450     }
1451     ++NumLayers;
1452   } while (ElementTy != TargetTy);
1453   if (ElementTy != TargetTy)
1454     Indices.erase(Indices.end() - NumLayers, Indices.end());
1455
1456   return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1457 }
1458
1459 /// \brief Recursively compute indices for a natural GEP.
1460 ///
1461 /// This is the recursive step for getNaturalGEPWithOffset that walks down the
1462 /// element types adding appropriate indices for the GEP.
1463 static Value *getNaturalGEPRecursively(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1464                                        Value *Ptr, Type *Ty, APInt &Offset,
1465                                        Type *TargetTy,
1466                                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1467                                        const Twine &Prefix) {
1468   if (Offset == 0)
1469     return getNaturalGEPWithType(IRB, TD, Ptr, Ty, TargetTy, Indices, Prefix);
1470
1471   // We can't recurse through pointer types.
1472   if (Ty->isPointerTy())
1473     return 0;
1474
1475   // We try to analyze GEPs over vectors here, but note that these GEPs are
1476   // extremely poorly defined currently. The long-term goal is to remove GEPing
1477   // over a vector from the IR completely.
1478   if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
1479     unsigned ElementSizeInBits = VecTy->getScalarSizeInBits();
1480     if (ElementSizeInBits % 8)
1481       return 0; // GEPs over non-multiple of 8 size vector elements are invalid.
1482     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), ElementSizeInBits / 8);
1483     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1484     if (NumSkippedElements.ugt(VecTy->getNumElements()))
1485       return 0;
1486     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1487     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1488     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, VecTy->getElementType(),
1489                                     Offset, TargetTy, Indices, Prefix);
1490   }
1491
1492   if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
1493     Type *ElementTy = ArrTy->getElementType();
1494     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1495     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1496     if (NumSkippedElements.ugt(ArrTy->getNumElements()))
1497       return 0;
1498
1499     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1500     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1501     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1502                                     Indices, Prefix);
1503   }
1504
1505   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
1506   if (!STy)
1507     return 0;
1508
1509   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1510   uint64_t StructOffset = Offset.getZExtValue();
1511   if (StructOffset >= SL->getSizeInBytes())
1512     return 0;
1513   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(StructOffset);
1514   Offset -= APInt(Offset.getBitWidth(), SL->getElementOffset(Index));
1515   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
1516   if (Offset.uge(TD.getTypeAllocSize(ElementTy)))
1517     return 0; // The offset points into alignment padding.
1518
1519   Indices.push_back(IRB.getInt32(Index));
1520   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1521                                   Indices, Prefix);
1522 }
1523
1524 /// \brief Get a natural GEP from a base pointer to a particular offset and
1525 /// resulting in a particular type.
1526 ///
1527 /// The goal is to produce a "natural" looking GEP that works with the existing
1528 /// composite types to arrive at the appropriate offset and element type for
1529 /// a pointer. TargetTy is the element type the returned GEP should point-to if
1530 /// possible. We recurse by decreasing Offset, adding the appropriate index to
1531 /// Indices, and setting Ty to the result subtype.
1532 ///
1533 /// If no natural GEP can be constructed, this function returns null.
1534 static Value *getNaturalGEPWithOffset(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1535                                       Value *Ptr, APInt Offset, Type *TargetTy,
1536                                       SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1537                                       const Twine &Prefix) {
1538   PointerType *Ty = cast<PointerType>(Ptr->getType());
1539
1540   // Don't consider any GEPs through an i8* as natural unless the TargetTy is
1541   // an i8.
1542   if (Ty == IRB.getInt8PtrTy() && TargetTy->isIntegerTy(8))
1543     return 0;
1544
1545   Type *ElementTy = Ty->getElementType();
1546   if (!ElementTy->isSized())
1547     return 0; // We can't GEP through an unsized element.
1548   APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1549   if (ElementSize == 0)
1550     return 0; // Zero-length arrays can't help us build a natural GEP.
1551   APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1552
1553   Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1554   Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1555   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1556                                   Indices, Prefix);
1557 }
1558
1559 /// \brief Compute an adjusted pointer from Ptr by Offset bytes where the
1560 /// resulting pointer has PointerTy.
1561 ///
1562 /// This tries very hard to compute a "natural" GEP which arrives at the offset
1563 /// and produces the pointer type desired. Where it cannot, it will try to use
1564 /// the natural GEP to arrive at the offset and bitcast to the type. Where that
1565 /// fails, it will try to use an existing i8* and GEP to the byte offset and
1566 /// bitcast to the type.
1567 ///
1568 /// The strategy for finding the more natural GEPs is to peel off layers of the
1569 /// pointer, walking back through bit casts and GEPs, searching for a base
1570 /// pointer from which we can compute a natural GEP with the desired
1571 /// properities. The algorithm tries to fold as many constant indices into
1572 /// a single GEP as possible, thus making each GEP more independent of the
1573 /// surrounding code.
1574 static Value *getAdjustedPtr(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1575                              Value *Ptr, APInt Offset, Type *PointerTy,
1576                              const Twine &Prefix) {
1577   // Even though we don't look through PHI nodes, we could be called on an
1578   // instruction in an unreachable block, which may be on a cycle.
1579   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
1580   Visited.insert(Ptr);
1581   SmallVector<Value *, 4> Indices;
1582
1583   // We may end up computing an offset pointer that has the wrong type. If we
1584   // never are able to compute one directly that has the correct type, we'll
1585   // fall back to it, so keep it around here.
1586   Value *OffsetPtr = 0;
1587
1588   // Remember any i8 pointer we come across to re-use if we need to do a raw
1589   // byte offset.
1590   Value *Int8Ptr = 0;
1591   APInt Int8PtrOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1592
1593   Type *TargetTy = PointerTy->getPointerElementType();
1594
1595   do {
1596     // First fold any existing GEPs into the offset.
1597     while (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr)) {
1598       APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1599       if (!accumulateGEPOffsets(TD, *GEP, GEPOffset))
1600         break;
1601       Offset += GEPOffset;
1602       Ptr = GEP->getPointerOperand();
1603       if (!Visited.insert(Ptr))
1604         break;
1605     }
1606
1607     // See if we can perform a natural GEP here.
1608     Indices.clear();
1609     if (Value *P = getNaturalGEPWithOffset(IRB, TD, Ptr, Offset, TargetTy,
1610                                            Indices, Prefix)) {
1611       if (P->getType() == PointerTy) {
1612         // Zap any offset pointer that we ended up computing in previous rounds.
1613         if (OffsetPtr && OffsetPtr->use_empty())
1614           if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OffsetPtr))
1615             I->eraseFromParent();
1616         return P;
1617       }
1618       if (!OffsetPtr) {
1619         OffsetPtr = P;
1620       }
1621     }
1622
1623     // Stash this pointer if we've found an i8*.
1624     if (Ptr->getType()->isIntegerTy(8)) {
1625       Int8Ptr = Ptr;
1626       Int8PtrOffset = Offset;
1627     }
1628
1629     // Peel off a layer of the pointer and update the offset appropriately.
1630     if (Operator::getOpcode(Ptr) == Instruction::BitCast) {
1631       Ptr = cast<Operator>(Ptr)->getOperand(0);
1632     } else if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(Ptr)) {
1633       if (GA->mayBeOverridden())
1634         break;
1635       Ptr = GA->getAliasee();
1636     } else {
1637       break;
1638     }
1639     assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected operand type!");
1640   } while (Visited.insert(Ptr));
1641
1642   if (!OffsetPtr) {
1643     if (!Int8Ptr) {
1644       Int8Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, IRB.getInt8PtrTy(),
1645                                   Prefix + ".raw_cast");
1646       Int8PtrOffset = Offset;
1647     }
1648
1649     OffsetPtr = Int8PtrOffset == 0 ? Int8Ptr :
1650       IRB.CreateInBoundsGEP(Int8Ptr, IRB.getInt(Int8PtrOffset),
1651                             Prefix + ".raw_idx");
1652   }
1653   Ptr = OffsetPtr;
1654
1655   // On the off chance we were targeting i8*, guard the bitcast here.
1656   if (Ptr->getType() != PointerTy)
1657     Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, PointerTy, Prefix + ".cast");
1658
1659   return Ptr;
1660 }
1661
1662 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to a vector.
1663 ///
1664 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1665 /// partition (and its newly formed alloca) into a vector alloca with only
1666 /// whole-vector loads and stores such that it could be promoted to a vector
1667 /// SSA value. We only can ensure this for a limited set of operations, and we
1668 /// don't want to do the rewrites unless we are confident that the result will
1669 /// be promotable, so we have an early test here.
1670 static bool isVectorPromotionViable(const TargetData &TD,
1671                                     Type *AllocaTy,
1672                                     AllocaPartitioning &P,
1673                                     uint64_t PartitionBeginOffset,
1674                                     uint64_t PartitionEndOffset,
1675                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1676                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1677   VectorType *Ty = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy);
1678   if (!Ty)
1679     return false;
1680
1681   uint64_t VecSize = TD.getTypeSizeInBits(Ty);
1682   uint64_t ElementSize = Ty->getScalarSizeInBits();
1683
1684   // While the definition of LLVM vectors is bitpacked, we don't support sizes
1685   // that aren't byte sized.
1686   if (ElementSize % 8)
1687     return false;
1688   assert((VecSize % 8) == 0 && "vector size not a multiple of element size?");
1689   VecSize /= 8;
1690   ElementSize /= 8;
1691
1692   for (; I != E; ++I) {
1693     uint64_t BeginOffset = I->BeginOffset - PartitionBeginOffset;
1694     uint64_t BeginIndex = BeginOffset / ElementSize;
1695     if (BeginIndex * ElementSize != BeginOffset ||
1696         BeginIndex >= Ty->getNumElements())
1697       return false;
1698     uint64_t EndOffset = I->EndOffset - PartitionBeginOffset;
1699     uint64_t EndIndex = EndOffset / ElementSize;
1700     if (EndIndex * ElementSize != EndOffset ||
1701         EndIndex > Ty->getNumElements())
1702       return false;
1703
1704     // FIXME: We should build shuffle vector instructions to handle
1705     // non-element-sized accesses.
1706     if ((EndOffset - BeginOffset) != ElementSize &&
1707         (EndOffset - BeginOffset) != VecSize)
1708       return false;
1709
1710     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1711       if (MI->isVolatile())
1712         return false;
1713       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1714         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1715           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1716         if (!MTO.IsSplittable)
1717           return false;
1718       }
1719     } else if (I->Ptr->getType()->getPointerElementType()->isStructTy()) {
1720       // Disable vector promotion when there are loads or stores of an FCA.
1721       return false;
1722     } else if (!isa<LoadInst>(*I->User) && !isa<StoreInst>(*I->User)) {
1723       return false;
1724     }
1725   }
1726   return true;
1727 }
1728
1729 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to an int.
1730 ///
1731 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1732 /// partition (and its newly formed alloca) into an integer alloca suitable for
1733 /// promotion to an SSA value. We only can ensure this for a limited set of
1734 /// operations, and we don't want to do the rewrites unless we are confident
1735 /// that the result will be promotable, so we have an early test here.
1736 static bool isIntegerPromotionViable(const TargetData &TD,
1737                                      Type *AllocaTy,
1738                                      AllocaPartitioning &P,
1739                                      AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1740                                      AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1741   IntegerType *Ty = dyn_cast<IntegerType>(AllocaTy);
1742   if (!Ty)
1743     return false;
1744
1745   // Check the uses to ensure the uses are (likely) promoteable integer uses.
1746   // Also ensure that the alloca has a covering load or store. We don't want
1747   // promote because of some other unsplittable entry (which we may make
1748   // splittable later) and lose the ability to promote each element access.
1749   bool WholeAllocaOp = false;
1750   for (; I != E; ++I) {
1751     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*I->User)) {
1752       if (LI->isVolatile() || !LI->getType()->isIntegerTy())
1753         return false;
1754       if (LI->getType() == Ty)
1755         WholeAllocaOp = true;
1756     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*I->User)) {
1757       if (SI->isVolatile() || !SI->getValueOperand()->getType()->isIntegerTy())
1758         return false;
1759       if (SI->getValueOperand()->getType() == Ty)
1760         WholeAllocaOp = true;
1761     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1762       if (MI->isVolatile())
1763         return false;
1764       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1765         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1766           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1767         if (!MTO.IsSplittable)
1768           return false;
1769       }
1770     } else {
1771       return false;
1772     }
1773   }
1774   return WholeAllocaOp;
1775 }
1776
1777 namespace {
1778 /// \brief Visitor to rewrite instructions using a partition of an alloca to
1779 /// use a new alloca.
1780 ///
1781 /// Also implements the rewriting to vector-based accesses when the partition
1782 /// passes the isVectorPromotionViable predicate. Most of the rewriting logic
1783 /// lives here.
1784 class AllocaPartitionRewriter : public InstVisitor<AllocaPartitionRewriter,
1785                                                    bool> {
1786   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
1787   friend class llvm::InstVisitor<AllocaPartitionRewriter, bool>;
1788
1789   const TargetData &TD;
1790   AllocaPartitioning &P;
1791   SROA &Pass;
1792   AllocaInst &OldAI, &NewAI;
1793   const uint64_t NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset;
1794
1795   // If we are rewriting an alloca partition which can be written as pure
1796   // vector operations, we stash extra information here. When VecTy is
1797   // non-null, we have some strict guarantees about the rewriten alloca:
1798   //   - The new alloca is exactly the size of the vector type here.
1799   //   - The accesses all either map to the entire vector or to a single
1800   //     element.
1801   //   - The set of accessing instructions is only one of those handled above
1802   //     in isVectorPromotionViable. Generally these are the same access kinds
1803   //     which are promotable via mem2reg.
1804   VectorType *VecTy;
1805   Type *ElementTy;
1806   uint64_t ElementSize;
1807
1808   // This is a convenience and flag variable that will be null unless the new
1809   // alloca has a promotion-targeted integer type due to passing
1810   // isIntegerPromotionViable above. If it is non-null does, the desired
1811   // integer type will be stored here for easy access during rewriting.
1812   IntegerType *IntPromotionTy;
1813
1814   // The offset of the partition user currently being rewritten.
1815   uint64_t BeginOffset, EndOffset;
1816   Instruction *OldPtr;
1817
1818   // The name prefix to use when rewriting instructions for this alloca.
1819   std::string NamePrefix;
1820
1821 public:
1822   AllocaPartitionRewriter(const TargetData &TD, AllocaPartitioning &P,
1823                           AllocaPartitioning::iterator PI,
1824                           SROA &Pass, AllocaInst &OldAI, AllocaInst &NewAI,
1825                           uint64_t NewBeginOffset, uint64_t NewEndOffset)
1826     : TD(TD), P(P), Pass(Pass),
1827       OldAI(OldAI), NewAI(NewAI),
1828       NewAllocaBeginOffset(NewBeginOffset),
1829       NewAllocaEndOffset(NewEndOffset),
1830       VecTy(), ElementTy(), ElementSize(), IntPromotionTy(),
1831       BeginOffset(), EndOffset() {
1832   }
1833
1834   /// \brief Visit the users of the alloca partition and rewrite them.
1835   bool visitUsers(AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1836                   AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1837     if (isVectorPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(), P,
1838                                 NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset,
1839                                 I, E)) {
1840       ++NumVectorized;
1841       VecTy = cast<VectorType>(NewAI.getAllocatedType());
1842       ElementTy = VecTy->getElementType();
1843       assert((VecTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1844              "Only multiple-of-8 sized vector elements are viable");
1845       ElementSize = VecTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1846     } else if (isIntegerPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(),
1847                                         P, I, E)) {
1848       IntPromotionTy = cast<IntegerType>(NewAI.getAllocatedType());
1849     }
1850     bool CanSROA = true;
1851     for (; I != E; ++I) {
1852       BeginOffset = I->BeginOffset;
1853       EndOffset = I->EndOffset;
1854       OldPtr = I->Ptr;
1855       NamePrefix = (Twine(NewAI.getName()) + "." + Twine(BeginOffset)).str();
1856       CanSROA &= visit(I->User);
1857     }
1858     if (VecTy) {
1859       assert(CanSROA);
1860       VecTy = 0;
1861       ElementTy = 0;
1862       ElementSize = 0;
1863     }
1864     return CanSROA;
1865   }
1866
1867 private:
1868   // Every instruction which can end up as a user must have a rewrite rule.
1869   bool visitInstruction(Instruction &I) {
1870     DEBUG(dbgs() << "    !!!! Cannot rewrite: " << I << "\n");
1871     llvm_unreachable("No rewrite rule for this instruction!");
1872   }
1873
1874   Twine getName(const Twine &Suffix) {
1875     return NamePrefix + Suffix;
1876   }
1877
1878   Value *getAdjustedAllocaPtr(IRBuilder<> &IRB, Type *PointerTy) {
1879     assert(BeginOffset >= NewAllocaBeginOffset);
1880     APInt Offset(TD.getPointerSizeInBits(), BeginOffset - NewAllocaBeginOffset);
1881     return getAdjustedPtr(IRB, TD, &NewAI, Offset, PointerTy, getName(""));
1882   }
1883
1884   ConstantInt *getIndex(IRBuilder<> &IRB, uint64_t Offset) {
1885     assert(VecTy && "Can only call getIndex when rewriting a vector");
1886     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1887     assert(RelOffset / ElementSize < UINT32_MAX && "Index out of bounds");
1888     uint32_t Index = RelOffset / ElementSize;
1889     assert(Index * ElementSize == RelOffset);
1890     return IRB.getInt32(Index);
1891   }
1892
1893   Value *extractInteger(IRBuilder<> &IRB, IntegerType *TargetTy,
1894                         uint64_t Offset) {
1895     assert(IntPromotionTy && "Alloca is not an integer we can extract from");
1896     Value *V = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1897     assert(Offset >= NewAllocaBeginOffset && "Out of bounds offset");
1898     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1899     if (RelOffset)
1900       V = IRB.CreateLShr(V, RelOffset*8, getName(".shift"));
1901     if (TargetTy != IntPromotionTy) {
1902       assert(TargetTy->getBitWidth() < IntPromotionTy->getBitWidth() &&
1903              "Cannot extract to a larger integer!");
1904       V = IRB.CreateTrunc(V, TargetTy, getName(".trunc"));
1905     }
1906     return V;
1907   }
1908
1909   StoreInst *insertInteger(IRBuilder<> &IRB, Value *V, uint64_t Offset) {
1910     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(V->getType());
1911     if (Ty == IntPromotionTy)
1912       return IRB.CreateStore(V, &NewAI);
1913
1914     assert(Ty->getBitWidth() < IntPromotionTy->getBitWidth() &&
1915            "Cannot insert a larger integer!");
1916     V = IRB.CreateZExt(V, IntPromotionTy, getName(".ext"));
1917     assert(Offset >= NewAllocaBeginOffset && "Out of bounds offset");
1918     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1919     if (RelOffset)
1920       V = IRB.CreateShl(V, RelOffset*8, getName(".shift"));
1921
1922     APInt Mask = ~Ty->getMask().zext(IntPromotionTy->getBitWidth())
1923                                .shl(RelOffset*8);
1924     Value *Old = IRB.CreateAnd(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".oldload")),
1925                                Mask, getName(".mask"));
1926     return IRB.CreateStore(IRB.CreateOr(Old, V, getName(".insert")),
1927                            &NewAI);
1928   }
1929
1930   void deleteIfTriviallyDead(Value *V) {
1931     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1932     if (isInstructionTriviallyDead(I))
1933       Pass.DeadInsts.push_back(I);
1934   }
1935
1936   Value *getValueCast(IRBuilder<> &IRB, Value *V, Type *Ty) {
1937     if (V->getType()->isIntegerTy() && Ty->isPointerTy())
1938       return IRB.CreateIntToPtr(V, Ty);
1939     if (V->getType()->isPointerTy() && Ty->isIntegerTy())
1940       return IRB.CreatePtrToInt(V, Ty);
1941
1942     return IRB.CreateBitCast(V, Ty);
1943   }
1944
1945   bool rewriteVectorizedLoadInst(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI, Value *OldOp) {
1946     Value *Result;
1947     if (LI.getType() == VecTy->getElementType() ||
1948         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1949       Result
1950         = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1951                                    getIndex(IRB, BeginOffset),
1952                                    getName(".extract"));
1953     } else {
1954       Result = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1955     }
1956     if (Result->getType() != LI.getType())
1957       Result = getValueCast(IRB, Result, LI.getType());
1958     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1959     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1960
1961     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1962     return true;
1963   }
1964
1965   bool rewriteIntegerLoad(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI) {
1966     assert(!LI.isVolatile());
1967     Value *Result = extractInteger(IRB, cast<IntegerType>(LI.getType()),
1968                                    BeginOffset);
1969     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1970     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1971     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1972     return true;
1973   }
1974
1975   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1976     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
1977     Value *OldOp = LI.getOperand(0);
1978     assert(OldOp == OldPtr);
1979     IRBuilder<> IRB(&LI);
1980
1981     if (VecTy)
1982       return rewriteVectorizedLoadInst(IRB, LI, OldOp);
1983     if (IntPromotionTy)
1984       return rewriteIntegerLoad(IRB, LI);
1985
1986     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1987                                          LI.getPointerOperand()->getType());
1988     LI.setOperand(0, NewPtr);
1989     DEBUG(dbgs() << "          to: " << LI << "\n");
1990
1991     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1992     return NewPtr == &NewAI && !LI.isVolatile();
1993   }
1994
1995   bool rewriteVectorizedStoreInst(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI,
1996                                   Value *OldOp) {
1997     Value *V = SI.getValueOperand();
1998     if (V->getType() == ElementTy ||
1999         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
2000       if (V->getType() != ElementTy)
2001         V = getValueCast(IRB, V, ElementTy);
2002       V = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
2003                                   getIndex(IRB, BeginOffset),
2004                                   getName(".insert"));
2005     } else if (V->getType() != VecTy) {
2006       V = getValueCast(IRB, V, VecTy);
2007     }
2008     StoreInst *Store = IRB.CreateStore(V, &NewAI);
2009     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
2010
2011     (void)Store;
2012     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2013     return true;
2014   }
2015
2016   bool rewriteIntegerStore(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI) {
2017     assert(!SI.isVolatile());
2018     StoreInst *Store = insertInteger(IRB, SI.getValueOperand(), BeginOffset);
2019     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
2020     (void)Store;
2021     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2022     return true;
2023   }
2024
2025   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
2026     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2027     Value *OldOp = SI.getOperand(1);
2028     assert(OldOp == OldPtr);
2029     IRBuilder<> IRB(&SI);
2030
2031     if (VecTy)
2032       return rewriteVectorizedStoreInst(IRB, SI, OldOp);
2033     if (IntPromotionTy)
2034       return rewriteIntegerStore(IRB, SI);
2035
2036     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
2037                                          SI.getPointerOperand()->getType());
2038     SI.setOperand(1, NewPtr);
2039     DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2040
2041     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
2042     return NewPtr == &NewAI && !SI.isVolatile();
2043   }
2044
2045   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
2046     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2047     IRBuilder<> IRB(&II);
2048     assert(II.getRawDest() == OldPtr);
2049
2050     // If the memset has a variable size, it cannot be split, just adjust the
2051     // pointer to the new alloca.
2052     if (!isa<Constant>(II.getLength())) {
2053       II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
2054       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2055       return false;
2056     }
2057
2058     // Record this instruction for deletion.
2059     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2060       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2061
2062     Type *AllocaTy = NewAI.getAllocatedType();
2063     Type *ScalarTy = AllocaTy->getScalarType();
2064
2065     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
2066     // a single value type, just emit a memset.
2067     if (!VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
2068                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
2069                    !AllocaTy->isSingleValueType() ||
2070                    !TD.isLegalInteger(TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy)))) {
2071       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
2072       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
2073
2074       CallInst *New
2075         = IRB.CreateMemSet(getAdjustedAllocaPtr(IRB,
2076                                                 II.getRawDest()->getType()),
2077                            II.getValue(), Size, II.getAlignment(),
2078                            II.isVolatile());
2079       (void)New;
2080       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2081       return false;
2082     }
2083
2084     // If we can represent this as a simple value, we have to build the actual
2085     // value to store, which requires expanding the byte present in memset to
2086     // a sensible representation for the alloca type. This is essentially
2087     // splatting the byte to a sufficiently wide integer, bitcasting to the
2088     // desired scalar type, and splatting it across any desired vector type.
2089     Value *V = II.getValue();
2090     IntegerType *VTy = cast<IntegerType>(V->getType());
2091     Type *IntTy = Type::getIntNTy(VTy->getContext(),
2092                                   TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy));
2093     if (TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy) > VTy->getBitWidth())
2094       V = IRB.CreateMul(IRB.CreateZExt(V, IntTy, getName(".zext")),
2095                         ConstantExpr::getUDiv(
2096                           Constant::getAllOnesValue(IntTy),
2097                           ConstantExpr::getZExt(
2098                             Constant::getAllOnesValue(V->getType()),
2099                             IntTy)),
2100                         getName(".isplat"));
2101     if (V->getType() != ScalarTy) {
2102       if (ScalarTy->isPointerTy())
2103         V = IRB.CreateIntToPtr(V, ScalarTy);
2104       else if (ScalarTy->isPrimitiveType() || ScalarTy->isVectorTy())
2105         V = IRB.CreateBitCast(V, ScalarTy);
2106       else if (ScalarTy->isIntegerTy())
2107         llvm_unreachable("Computed different integer types with equal widths");
2108       else
2109         llvm_unreachable("Invalid scalar type");
2110     }
2111
2112     // If this is an element-wide memset of a vectorizable alloca, insert it.
2113     if (VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
2114                   EndOffset < NewAllocaEndOffset)) {
2115       StoreInst *Store = IRB.CreateStore(
2116         IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
2117                                 getIndex(IRB, BeginOffset),
2118                                 getName(".insert")),
2119         &NewAI);
2120       (void)Store;
2121       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2122       return true;
2123     }
2124
2125     // Splat to a vector if needed.
2126     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy)) {
2127       VectorType *SplatSourceTy = VectorType::get(V->getType(), 1);
2128       V = IRB.CreateShuffleVector(
2129         IRB.CreateInsertElement(UndefValue::get(SplatSourceTy), V,
2130                                 IRB.getInt32(0), getName(".vsplat.insert")),
2131         UndefValue::get(SplatSourceTy),
2132         ConstantVector::getSplat(VecTy->getNumElements(), IRB.getInt32(0)),
2133         getName(".vsplat.shuffle"));
2134       assert(V->getType() == VecTy);
2135     }
2136
2137     Value *New = IRB.CreateStore(V, &NewAI, II.isVolatile());
2138     (void)New;
2139     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2140     return !II.isVolatile();
2141   }
2142
2143   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
2144     // Rewriting of memory transfer instructions can be a bit tricky. We break
2145     // them into two categories: split intrinsics and unsplit intrinsics.
2146
2147     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2148     IRBuilder<> IRB(&II);
2149
2150     assert(II.getRawSource() == OldPtr || II.getRawDest() == OldPtr);
2151     bool IsDest = II.getRawDest() == OldPtr;
2152
2153     const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
2154       = P.getMemTransferOffsets(II);
2155
2156     // For unsplit intrinsics, we simply modify the source and destination
2157     // pointers in place. This isn't just an optimization, it is a matter of
2158     // correctness. With unsplit intrinsics we may be dealing with transfers
2159     // within a single alloca before SROA ran, or with transfers that have
2160     // a variable length. We may also be dealing with memmove instead of
2161     // memcpy, and so simply updating the pointers is the necessary for us to
2162     // update both source and dest of a single call.
2163     if (!MTO.IsSplittable) {
2164       Value *OldOp = IsDest ? II.getRawDest() : II.getRawSource();
2165       if (IsDest)
2166         II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
2167       else
2168         II.setSource(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawSource()->getType()));
2169
2170       DEBUG(dbgs() << "          to: " << II << "\n");
2171       deleteIfTriviallyDead(OldOp);
2172       return false;
2173     }
2174     // For split transfer intrinsics we have an incredibly useful assurance:
2175     // the source and destination do not reside within the same alloca, and at
2176     // least one of them does not escape. This means that we can replace
2177     // memmove with memcpy, and we don't need to worry about all manner of
2178     // downsides to splitting and transforming the operations.
2179
2180     // Compute the relative offset within the transfer.
2181     unsigned IntPtrWidth = TD.getPointerSizeInBits();
2182     APInt RelOffset(IntPtrWidth, BeginOffset - (IsDest ? MTO.DestBegin
2183                                                        : MTO.SourceBegin));
2184
2185     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
2186     // a single value type, just emit a memcpy.
2187     bool EmitMemCpy
2188       = !VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
2189                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
2190                    !NewAI.getAllocatedType()->isSingleValueType());
2191
2192     // If we're just going to emit a memcpy, the alloca hasn't changed, and the
2193     // size hasn't been shrunk based on analysis of the viable range, this is
2194     // a no-op.
2195     if (EmitMemCpy && &OldAI == &NewAI) {
2196       uint64_t OrigBegin = IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin;
2197       uint64_t OrigEnd = IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd;
2198       // Ensure the start lines up.
2199       assert(BeginOffset == OrigBegin);
2200       (void)OrigBegin;
2201
2202       // Rewrite the size as needed.
2203       if (EndOffset != OrigEnd)
2204         II.setLength(ConstantInt::get(II.getLength()->getType(),
2205                                       EndOffset - BeginOffset));
2206       return false;
2207     }
2208     // Record this instruction for deletion.
2209     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2210       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2211
2212     bool IsVectorElement = VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
2213                                      EndOffset < NewAllocaEndOffset);
2214
2215     Type *OtherPtrTy = IsDest ? II.getRawSource()->getType()
2216                               : II.getRawDest()->getType();
2217     if (!EmitMemCpy)
2218       OtherPtrTy = IsVectorElement ? VecTy->getElementType()->getPointerTo()
2219                                    : NewAI.getType();
2220
2221     // Compute the other pointer, folding as much as possible to produce
2222     // a single, simple GEP in most cases.
2223     Value *OtherPtr = IsDest ? II.getRawSource() : II.getRawDest();
2224     OtherPtr = getAdjustedPtr(IRB, TD, OtherPtr, RelOffset, OtherPtrTy,
2225                               getName("." + OtherPtr->getName()));
2226
2227     // Strip all inbounds GEPs and pointer casts to try to dig out any root
2228     // alloca that should be re-examined after rewriting this instruction.
2229     if (AllocaInst *AI
2230           = dyn_cast<AllocaInst>(OtherPtr->stripInBoundsOffsets()))
2231       Pass.Worklist.insert(AI);
2232
2233     if (EmitMemCpy) {
2234       Value *OurPtr
2235         = getAdjustedAllocaPtr(IRB, IsDest ? II.getRawDest()->getType()
2236                                            : II.getRawSource()->getType());
2237       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
2238       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
2239
2240       CallInst *New = IRB.CreateMemCpy(IsDest ? OurPtr : OtherPtr,
2241                                        IsDest ? OtherPtr : OurPtr,
2242                                        Size, II.getAlignment(),
2243                                        II.isVolatile());
2244       (void)New;
2245       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2246       return false;
2247     }
2248
2249     Value *SrcPtr = OtherPtr;
2250     Value *DstPtr = &NewAI;
2251     if (!IsDest)
2252       std::swap(SrcPtr, DstPtr);
2253
2254     Value *Src;
2255     if (IsVectorElement && !IsDest) {
2256       // We have to extract rather than load.
2257       Src = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(SrcPtr,
2258                                                     getName(".copyload")),
2259                                      getIndex(IRB, BeginOffset),
2260                                      getName(".copyextract"));
2261     } else {
2262       Src = IRB.CreateLoad(SrcPtr, II.isVolatile(), getName(".copyload"));
2263     }
2264
2265     if (IsVectorElement && IsDest) {
2266       // We have to insert into a loaded copy before storing.
2267       Src = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
2268                                     Src, getIndex(IRB, BeginOffset),
2269                                     getName(".insert"));
2270     }
2271
2272     Value *Store = IRB.CreateStore(Src, DstPtr, II.isVolatile());
2273     (void)Store;
2274     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2275     return !II.isVolatile();
2276   }
2277
2278   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
2279     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
2280            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
2281     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2282     IRBuilder<> IRB(&II);
2283     assert(II.getArgOperand(1) == OldPtr);
2284
2285     // Record this instruction for deletion.
2286     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2287       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2288
2289     ConstantInt *Size
2290       = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(II.getArgOperand(0)->getType()),
2291                          EndOffset - BeginOffset);
2292     Value *Ptr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getArgOperand(1)->getType());
2293     Value *New;
2294     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2295       New = IRB.CreateLifetimeStart(Ptr, Size);
2296     else
2297       New = IRB.CreateLifetimeEnd(Ptr, Size);
2298
2299     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2300     return true;
2301   }
2302
2303   /// PHI instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2304   /// rewritten to load both input pointers in the pred blocks and then PHI the
2305   /// results, allowing the load of the alloca to be promoted.
2306   /// From this:
2307   ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
2308   ///   %V = load i32* %P2
2309   /// to:
2310   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2311   ///   ...
2312   ///   %V2 = load i32* %Other
2313   ///   ...
2314   ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
2315   ///
2316   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2317   /// to the select can be loaded unconditionally.
2318   ///
2319   /// FIXME: This should be hoisted into a generic utility, likely in
2320   /// Transforms/Util/Local.h
2321   bool isSafePHIToSpeculate(PHINode &PN, SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2322     // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block
2323     // as the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
2324     // TODO: Allow recursive phi users.
2325     // TODO: Allow stores.
2326     BasicBlock *BB = PN.getParent();
2327     unsigned MaxAlign = 0;
2328     for (Value::use_iterator UI = PN.use_begin(), UE = PN.use_end();
2329          UI != UE; ++UI) {
2330       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2331       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2332
2333       // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is
2334       // a common case that happens when instcombine merges two loads through
2335       // a PHI.
2336       if (LI->getParent() != BB) return false;
2337
2338       // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
2339       // could store.
2340       for (BasicBlock::iterator BBI = &PN; &*BBI != LI; ++BBI)
2341         if (BBI->mayWriteToMemory())
2342           return false;
2343
2344       MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
2345       Loads.push_back(LI);
2346     }
2347
2348     // We can only transform this if it is safe to push the loads into the
2349     // predecessor blocks. The only thing to watch out for is that we can't put
2350     // a possibly trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
2351     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num;
2352          ++Idx) {
2353       TerminatorInst *TI = PN.getIncomingBlock(Idx)->getTerminator();
2354       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2355
2356       // If the value is produced by the terminator of the predecessor (an
2357       // invoke) or it has side-effects, there is no valid place to put a load
2358       // in the predecessor.
2359       if (TI == InVal || TI->mayHaveSideEffects())
2360         return false;
2361
2362       // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't
2363       // critical.
2364       if (TI->getNumSuccessors() == 1)
2365         continue;
2366
2367       // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there
2368       // is already a load in the block, then we can move the load to the pred
2369       // block.
2370       if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
2371           isSafeToLoadUnconditionally(InVal, TI, MaxAlign, &TD))
2372         continue;
2373
2374       return false;
2375     }
2376
2377     return true;
2378   }
2379
2380   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2381     DEBUG(dbgs() << "    original: " << PN << "\n");
2382     // We would like to compute a new pointer in only one place, but have it be
2383     // as local as possible to the PHI. To do that, we re-use the location of
2384     // the old pointer, which necessarily must be in the right position to
2385     // dominate the PHI.
2386     IRBuilder<> PtrBuilder(cast<Instruction>(OldPtr));
2387
2388     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2389     if (!isSafePHIToSpeculate(PN, Loads)) {
2390       Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2391       // Replace the operands which were using the old pointer.
2392       User::op_iterator OI = PN.op_begin(), OE = PN.op_end();
2393       for (; OI != OE; ++OI)
2394         if (*OI == OldPtr)
2395           *OI = NewPtr;
2396
2397       DEBUG(dbgs() << "          to: " << PN << "\n");
2398       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2399       return false;
2400     }
2401     assert(!Loads.empty());
2402
2403     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN.getType())->getElementType();
2404     IRBuilder<> PHIBuilder(&PN);
2405     PHINode *NewPN = PHIBuilder.CreatePHI(LoadTy, PN.getNumIncomingValues());
2406     NewPN->takeName(&PN);
2407
2408     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
2409     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
2410     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(Loads.back());
2411     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
2412     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
2413     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2414
2415     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
2416     do {
2417       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2418       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
2419       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2420     } while (!Loads.empty());
2421
2422     // Inject loads into all of the pred blocks.
2423     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num; ++Idx) {
2424       BasicBlock *Pred = PN.getIncomingBlock(Idx);
2425       TerminatorInst *TI = Pred->getTerminator();
2426       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2427       IRBuilder<> PredBuilder(TI);
2428
2429       // Map the value to the new alloca pointer if this was the old alloca
2430       // pointer.
2431       bool ThisOperand = InVal == OldPtr;
2432       if (ThisOperand)
2433         InVal = NewPtr;
2434
2435       LoadInst *Load
2436         = PredBuilder.CreateLoad(InVal, getName(".sroa.speculate." +
2437                                                 Pred->getName()));
2438       ++NumLoadsSpeculated;
2439       Load->setAlignment(Align);
2440       if (TBAATag)
2441         Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
2442       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
2443
2444       if (ThisOperand)
2445         continue;
2446       Instruction *OtherPtr = dyn_cast<Instruction>(InVal);
2447       if (!OtherPtr)
2448         // No uses to rewrite.
2449         continue;
2450
2451       // Try to lookup and rewrite any partition uses corresponding to this phi
2452       // input.
2453       AllocaPartitioning::iterator PI
2454         = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2455       if (PI != P.end()) {
2456         // If the other pointer is within the partitioning, replace the PHI in
2457         // its uses with the load we just speculated, or add another load for
2458         // it to rewrite if we've already replaced the PHI.
2459         AllocaPartitioning::use_iterator UI
2460           = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2461         if (isa<PHINode>(*UI->User))
2462           UI->User = Load;
2463         else {
2464           AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse = *UI;
2465           OtherUse.User = Load;
2466           P.use_push_back(PI, OtherUse);
2467         }
2468       }
2469     }
2470     DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *NewPN << "\n");
2471     return NewPtr == &NewAI;
2472   }
2473
2474   /// Select instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2475   /// rewritten to load both input pointers and then select between the result,
2476   /// allowing the load of the alloca to be promoted.
2477   /// From this:
2478   ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
2479   ///   %V = load i32* %P2
2480   /// to:
2481   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2482   ///   %V2 = load i32* %Other
2483   ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
2484   ///
2485   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2486   /// to the select can be loaded unconditionally.
2487   bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst &SI,
2488                                SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2489     Value *TValue = SI.getTrueValue();
2490     Value *FValue = SI.getFalseValue();
2491     bool TDerefable = TValue->isDereferenceablePointer();
2492     bool FDerefable = FValue->isDereferenceablePointer();
2493
2494     for (Value::use_iterator UI = SI.use_begin(), UE = SI.use_end();
2495          UI != UE; ++UI) {
2496       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2497       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2498
2499       // Both operands to the select need to be dereferencable, either
2500       // absolutely (e.g. allocas) or at this point because we can see other
2501       // accesses to it.
2502       if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(TValue, LI,
2503                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2504         return false;
2505       if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(FValue, LI,
2506                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2507         return false;
2508       Loads.push_back(LI);
2509     }
2510
2511     return true;
2512   }
2513
2514   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2515     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2516     IRBuilder<> IRB(&SI);
2517
2518     // Find the operand we need to rewrite here.
2519     bool IsTrueVal = SI.getTrueValue() == OldPtr;
2520     if (IsTrueVal)
2521       assert(SI.getFalseValue() != OldPtr && "Pointer is both operands!");
2522     else
2523       assert(SI.getFalseValue() == OldPtr && "Pointer isn't an operand!");
2524     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, OldPtr->getType());
2525
2526     // If the select isn't safe to speculate, just use simple logic to emit it.
2527     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2528     if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, Loads)) {
2529       SI.setOperand(IsTrueVal ? 1 : 2, NewPtr);
2530       DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2531       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2532       return false;
2533     }
2534
2535     Value *OtherPtr = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : SI.getTrueValue();
2536     AllocaPartitioning::iterator PI
2537       = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2538     AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse;
2539     if (PI != P.end()) {
2540       // If the other pointer is within the partitioning, remove the select
2541       // from its uses. We'll add in the new loads below.
2542       AllocaPartitioning::use_iterator UI
2543         = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2544       OtherUse = *UI;
2545       P.use_erase(PI, UI);
2546     }
2547
2548     Value *TV = IsTrueVal ? NewPtr : SI.getTrueValue();
2549     Value *FV = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : NewPtr;
2550     // Replace the loads of the select with a select of two loads.
2551     while (!Loads.empty()) {
2552       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2553
2554       IRB.SetInsertPoint(LI);
2555       LoadInst *TL =
2556         IRB.CreateLoad(TV, getName("." + LI->getName() + ".true"));
2557       LoadInst *FL =
2558         IRB.CreateLoad(FV, getName("." + LI->getName() + ".false"));
2559       NumLoadsSpeculated += 2;
2560       if (PI != P.end()) {
2561         LoadInst *OtherLoad = IsTrueVal ? FL : TL;
2562         assert(OtherUse.Ptr == OtherLoad->getOperand(0));
2563         OtherUse.User = OtherLoad;
2564         P.use_push_back(PI, OtherUse);
2565       }
2566
2567       // Transfer alignment and TBAA info if present.
2568       TL->setAlignment(LI->getAlignment());
2569       FL->setAlignment(LI->getAlignment());
2570       if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2571         TL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2572         FL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2573       }
2574
2575       Value *V = IRB.CreateSelect(SI.getCondition(), TL, FL);
2576       V->takeName(LI);
2577       DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *V << "\n");
2578       LI->replaceAllUsesWith(V);
2579       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2580     }
2581
2582     deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2583     return NewPtr == &NewAI;
2584   }
2585
2586 };
2587 }
2588
2589 namespace {
2590 /// \brief Visitor to rewrite aggregate loads and stores as scalar.
2591 ///
2592 /// This pass aggressively rewrites all aggregate loads and stores on
2593 /// a particular pointer (or any pointer derived from it which we can identify)
2594 /// with scalar loads and stores.
2595 class AggLoadStoreRewriter : public InstVisitor<AggLoadStoreRewriter, bool> {
2596   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
2597   friend class llvm::InstVisitor<AggLoadStoreRewriter, bool>;
2598
2599   const TargetData &TD;
2600
2601   /// Queue of pointer uses to analyze and potentially rewrite.
2602   SmallVector<Use *, 8> Queue;
2603
2604   /// Set to prevent us from cycling with phi nodes and loops.
2605   SmallPtrSet<User *, 8> Visited;
2606
2607   /// The current pointer use being rewritten. This is used to dig up the used
2608   /// value (as opposed to the user).
2609   Use *U;
2610
2611 public:
2612   AggLoadStoreRewriter(const TargetData &TD) : TD(TD) {}
2613
2614   /// Rewrite loads and stores through a pointer and all pointers derived from
2615   /// it.
2616   bool rewrite(Instruction &I) {
2617     DEBUG(dbgs() << "  Rewriting FCA loads and stores...\n");
2618     enqueueUsers(I);
2619     bool Changed = false;
2620     while (!Queue.empty()) {
2621       U = Queue.pop_back_val();
2622       Changed |= visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
2623     }
2624     return Changed;
2625   }
2626
2627 private:
2628   /// Enqueue all the users of the given instruction for further processing.
2629   /// This uses a set to de-duplicate users.
2630   void enqueueUsers(Instruction &I) {
2631     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE;
2632          ++UI)
2633       if (Visited.insert(*UI))
2634         Queue.push_back(&UI.getUse());
2635   }
2636
2637   // Conservative default is to not rewrite anything.
2638   bool visitInstruction(Instruction &I) { return false; }
2639
2640   /// \brief Generic recursive split emission class.
2641   template <typename Derived>
2642   class OpSplitter {
2643   protected:
2644     /// The builder used to form new instructions.
2645     IRBuilder<> IRB;
2646     /// The indices which to be used with insert- or extractvalue to select the
2647     /// appropriate value within the aggregate.
2648     SmallVector<unsigned, 4> Indices;
2649     /// The indices to a GEP instruction which will move Ptr to the correct slot
2650     /// within the aggregate.
2651     SmallVector<Value *, 4> GEPIndices;
2652     /// The base pointer of the original op, used as a base for GEPing the
2653     /// split operations.
2654     Value *Ptr;
2655
2656     /// Initialize the splitter with an insertion point, Ptr and start with a
2657     /// single zero GEP index.
2658     OpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2659       : IRB(InsertionPoint), GEPIndices(1, IRB.getInt32(0)), Ptr(Ptr) {}
2660
2661   public:
2662     /// \brief Generic recursive split emission routine.
2663     ///
2664     /// This method recursively splits an aggregate op (load or store) into
2665     /// scalar or vector ops. It splits recursively until it hits a single value
2666     /// and emits that single value operation via the template argument.
2667     ///
2668     /// The logic of this routine relies on GEPs and insertvalue and
2669     /// extractvalue all operating with the same fundamental index list, merely
2670     /// formatted differently (GEPs need actual values).
2671     ///
2672     /// \param Ty  The type being split recursively into smaller ops.
2673     /// \param Agg The aggregate value being built up or stored, depending on
2674     /// whether this is splitting a load or a store respectively.
2675     void emitSplitOps(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2676       if (Ty->isSingleValueType())
2677         return static_cast<Derived *>(this)->emitFunc(Ty, Agg, Name);
2678
2679       if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
2680         unsigned OldSize = Indices.size();
2681         (void)OldSize;
2682         for (unsigned Idx = 0, Size = ATy->getNumElements(); Idx != Size;
2683              ++Idx) {
2684           assert(Indices.size() == OldSize && "Did not return to the old size");
2685           Indices.push_back(Idx);
2686           GEPIndices.push_back(IRB.getInt32(Idx));
2687           emitSplitOps(ATy->getElementType(), Agg, Name + "." + Twine(Idx));
2688           GEPIndices.pop_back();
2689           Indices.pop_back();
2690         }
2691         return;
2692       }
2693
2694       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
2695         unsigned OldSize = Indices.size();
2696         (void)OldSize;
2697         for (unsigned Idx = 0, Size = STy->getNumElements(); Idx != Size;
2698              ++Idx) {
2699           assert(Indices.size() == OldSize && "Did not return to the old size");
2700           Indices.push_back(Idx);
2701           GEPIndices.push_back(IRB.getInt32(Idx));
2702           emitSplitOps(STy->getElementType(Idx), Agg, Name + "." + Twine(Idx));
2703           GEPIndices.pop_back();
2704           Indices.pop_back();
2705         }
2706         return;
2707       }
2708
2709       llvm_unreachable("Only arrays and structs are aggregate loadable types");
2710     }
2711   };
2712
2713   struct LoadOpSplitter : public OpSplitter<LoadOpSplitter> {
2714     LoadOpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2715       : OpSplitter<LoadOpSplitter>(InsertionPoint, Ptr) {}
2716
2717     /// Emit a leaf load of a single value. This is called at the leaves of the
2718     /// recursive emission to actually load values.
2719     void emitFunc(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2720       assert(Ty->isSingleValueType());
2721       // Load the single value and insert it using the indices.
2722       Value *Load = IRB.CreateLoad(IRB.CreateInBoundsGEP(Ptr, GEPIndices,
2723                                                          Name + ".gep"),
2724                                    Name + ".load");
2725       Agg = IRB.CreateInsertValue(Agg, Load, Indices, Name + ".insert");
2726       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Load << "\n");
2727     }
2728   };
2729
2730   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
2731     assert(LI.getPointerOperand() == *U);
2732     if (!LI.isSimple() || LI.getType()->isSingleValueType())
2733       return false;
2734
2735     // We have an aggregate being loaded, split it apart.
2736     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
2737     LoadOpSplitter Splitter(&LI, *U);
2738     Value *V = UndefValue::get(LI.getType());
2739     Splitter.emitSplitOps(LI.getType(), V, LI.getName() + ".fca");
2740     LI.replaceAllUsesWith(V);
2741     LI.eraseFromParent();
2742     return true;
2743   }
2744
2745   struct StoreOpSplitter : public OpSplitter<StoreOpSplitter> {
2746     StoreOpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2747       : OpSplitter<StoreOpSplitter>(InsertionPoint, Ptr) {}
2748
2749     /// Emit a leaf store of a single value. This is called at the leaves of the
2750     /// recursive emission to actually produce stores.
2751     void emitFunc(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2752       assert(Ty->isSingleValueType());
2753       // Extract the single value and store it using the indices.
2754       Value *Store = IRB.CreateStore(
2755         IRB.CreateExtractValue(Agg, Indices, Name + ".extract"),
2756         IRB.CreateInBoundsGEP(Ptr, GEPIndices, Name + ".gep"));
2757       (void)Store;
2758       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2759     }
2760   };
2761
2762   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
2763     if (!SI.isSimple() || SI.getPointerOperand() != *U)
2764       return false;
2765     Value *V = SI.getValueOperand();
2766     if (V->getType()->isSingleValueType())
2767       return false;
2768
2769     // We have an aggregate being stored, split it apart.
2770     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2771     StoreOpSplitter Splitter(&SI, *U);
2772     Splitter.emitSplitOps(V->getType(), V, V->getName() + ".fca");
2773     SI.eraseFromParent();
2774     return true;
2775   }
2776
2777   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
2778     enqueueUsers(BC);
2779     return false;
2780   }
2781
2782   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
2783     enqueueUsers(GEPI);
2784     return false;
2785   }
2786
2787   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2788     enqueueUsers(PN);
2789     return false;
2790   }
2791
2792   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2793     enqueueUsers(SI);
2794     return false;
2795   }
2796 };
2797 }
2798
2799 /// \brief Try to find a partition of the aggregate type passed in for a given
2800 /// offset and size.
2801 ///
2802 /// This recurses through the aggregate type and tries to compute a subtype
2803 /// based on the offset and size. When the offset and size span a sub-section
2804 /// of an array, it will even compute a new array type for that sub-section,
2805 /// and the same for structs.
2806 ///
2807 /// Note that this routine is very strict and tries to find a partition of the
2808 /// type which produces the *exact* right offset and size. It is not forgiving
2809 /// when the size or offset cause either end of type-based partition to be off.
2810 /// Also, this is a best-effort routine. It is reasonable to give up and not
2811 /// return a type if necessary.
2812 static Type *getTypePartition(const TargetData &TD, Type *Ty,
2813                               uint64_t Offset, uint64_t Size) {
2814   if (Offset == 0 && TD.getTypeAllocSize(Ty) == Size)
2815     return Ty;
2816
2817   if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
2818     // We can't partition pointers...
2819     if (SeqTy->isPointerTy())
2820       return 0;
2821
2822     Type *ElementTy = SeqTy->getElementType();
2823     uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2824     uint64_t NumSkippedElements = Offset / ElementSize;
2825     if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(SeqTy))
2826       if (NumSkippedElements >= ArrTy->getNumElements())
2827         return 0;
2828     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(SeqTy))
2829       if (NumSkippedElements >= VecTy->getNumElements())
2830         return 0;
2831     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
2832
2833     // First check if we need to recurse.
2834     if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2835       // Bail if the partition ends in a different array element.
2836       if ((Offset + Size) > ElementSize)
2837         return 0;
2838       // Recurse through the element type trying to peel off offset bytes.
2839       return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2840     }
2841     assert(Offset == 0);
2842
2843     if (Size == ElementSize)
2844       return ElementTy;
2845     assert(Size > ElementSize);
2846     uint64_t NumElements = Size / ElementSize;
2847     if (NumElements * ElementSize != Size)
2848       return 0;
2849     return ArrayType::get(ElementTy, NumElements);
2850   }
2851
2852   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
2853   if (!STy)
2854     return 0;
2855
2856   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2857   if (Offset >= SL->getSizeInBytes())
2858     return 0;
2859   uint64_t EndOffset = Offset + Size;
2860   if (EndOffset > SL->getSizeInBytes())
2861     return 0;
2862
2863   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(Offset);
2864   Offset -= SL->getElementOffset(Index);
2865
2866   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
2867   uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2868   if (Offset >= ElementSize)
2869     return 0; // The offset points into alignment padding.
2870
2871   // See if any partition must be contained by the element.
2872   if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2873     if ((Offset + Size) > ElementSize)
2874       return 0;
2875     return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2876   }
2877   assert(Offset == 0);
2878
2879   if (Size == ElementSize)
2880     return ElementTy;
2881
2882   StructType::element_iterator EI = STy->element_begin() + Index,
2883                                EE = STy->element_end();
2884   if (EndOffset < SL->getSizeInBytes()) {
2885     unsigned EndIndex = SL->getElementContainingOffset(EndOffset);
2886     if (Index == EndIndex)
2887       return 0; // Within a single element and its padding.
2888
2889     // Don't try to form "natural" types if the elements don't line up with the
2890     // expected size.
2891     // FIXME: We could potentially recurse down through the last element in the
2892     // sub-struct to find a natural end point.
2893     if (SL->getElementOffset(EndIndex) != EndOffset)
2894       return 0;
2895
2896     assert(Index < EndIndex);
2897     EE = STy->element_begin() + EndIndex;
2898   }
2899
2900   // Try to build up a sub-structure.
2901   SmallVector<Type *, 4> ElementTys;
2902   do {
2903     ElementTys.push_back(*EI++);
2904   } while (EI != EE);
2905   StructType *SubTy = StructType::get(STy->getContext(), ElementTys,
2906                                       STy->isPacked());
2907   const StructLayout *SubSL = TD.getStructLayout(SubTy);
2908   if (Size != SubSL->getSizeInBytes())
2909     return 0; // The sub-struct doesn't have quite the size needed.
2910
2911   return SubTy;
2912 }
2913
2914 /// \brief Rewrite an alloca partition's users.
2915 ///
2916 /// This routine drives both of the rewriting goals of the SROA pass. It tries
2917 /// to rewrite uses of an alloca partition to be conducive for SSA value
2918 /// promotion. If the partition needs a new, more refined alloca, this will
2919 /// build that new alloca, preserving as much type information as possible, and
2920 /// rewrite the uses of the old alloca to point at the new one and have the
2921 /// appropriate new offsets. It also evaluates how successful the rewrite was
2922 /// at enabling promotion and if it was successful queues the alloca to be
2923 /// promoted.
2924 bool SROA::rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
2925                                   AllocaPartitioning &P,
2926                                   AllocaPartitioning::iterator PI) {
2927   uint64_t AllocaSize = PI->EndOffset - PI->BeginOffset;
2928   if (P.use_begin(PI) == P.use_end(PI))
2929     return false; // No live uses left of this partition.
2930
2931   // Try to compute a friendly type for this partition of the alloca. This
2932   // won't always succeed, in which case we fall back to a legal integer type
2933   // or an i8 array of an appropriate size.
2934   Type *AllocaTy = 0;
2935   if (Type *PartitionTy = P.getCommonType(PI))
2936     if (TD->getTypeAllocSize(PartitionTy) >= AllocaSize)
2937       AllocaTy = PartitionTy;
2938   if (!AllocaTy)
2939     if (Type *PartitionTy = getTypePartition(*TD, AI.getAllocatedType(),
2940                                              PI->BeginOffset, AllocaSize))
2941       AllocaTy = PartitionTy;
2942   if ((!AllocaTy ||
2943        (AllocaTy->isArrayTy() &&
2944         AllocaTy->getArrayElementType()->isIntegerTy())) &&
2945       TD->isLegalInteger(AllocaSize * 8))
2946     AllocaTy = Type::getIntNTy(*C, AllocaSize * 8);
2947   if (!AllocaTy)
2948     AllocaTy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(*C), AllocaSize);
2949   assert(TD->getTypeAllocSize(AllocaTy) >= AllocaSize);
2950
2951   // Check for the case where we're going to rewrite to a new alloca of the
2952   // exact same type as the original, and with the same access offsets. In that
2953   // case, re-use the existing alloca, but still run through the rewriter to
2954   // performe phi and select speculation.
2955   AllocaInst *NewAI;
2956   if (AllocaTy == AI.getAllocatedType()) {
2957     assert(PI->BeginOffset == 0 &&
2958            "Non-zero begin offset but same alloca type");
2959     assert(PI == P.begin() && "Begin offset is zero on later partition");
2960     NewAI = &AI;
2961   } else {
2962     // FIXME: The alignment here is overly conservative -- we could in many
2963     // cases get away with much weaker alignment constraints.
2964     NewAI = new AllocaInst(AllocaTy, 0, AI.getAlignment(),
2965                            AI.getName() + ".sroa." + Twine(PI - P.begin()),
2966                            &AI);
2967     ++NumNewAllocas;
2968   }
2969
2970   DEBUG(dbgs() << "Rewriting alloca partition "
2971                << "[" << PI->BeginOffset << "," << PI->EndOffset << ") to: "
2972                << *NewAI << "\n");
2973
2974   AllocaPartitionRewriter Rewriter(*TD, P, PI, *this, AI, *NewAI,
2975                                    PI->BeginOffset, PI->EndOffset);
2976   DEBUG(dbgs() << "  rewriting ");
2977   DEBUG(P.print(dbgs(), PI, ""));
2978   if (Rewriter.visitUsers(P.use_begin(PI), P.use_end(PI))) {
2979     DEBUG(dbgs() << "  and queuing for promotion\n");
2980     PromotableAllocas.push_back(NewAI);
2981   } else if (NewAI != &AI) {
2982     // If we can't promote the alloca, iterate on it to check for new
2983     // refinements exposed by splitting the current alloca. Don't iterate on an
2984     // alloca which didn't actually change and didn't get promoted.
2985     Worklist.insert(NewAI);
2986   }
2987   return true;
2988 }
2989
2990 /// \brief Walks the partitioning of an alloca rewriting uses of each partition.
2991 bool SROA::splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P) {
2992   bool Changed = false;
2993   for (AllocaPartitioning::iterator PI = P.begin(), PE = P.end(); PI != PE;
2994        ++PI)
2995     Changed |= rewriteAllocaPartition(AI, P, PI);
2996
2997   return Changed;
2998 }
2999
3000 /// \brief Analyze an alloca for SROA.
3001 ///
3002 /// This analyzes the alloca to ensure we can reason about it, builds
3003 /// a partitioning of the alloca, and then hands it off to be split and
3004 /// rewritten as needed.
3005 bool SROA::runOnAlloca(AllocaInst &AI) {
3006   DEBUG(dbgs() << "SROA alloca: " << AI << "\n");
3007   ++NumAllocasAnalyzed;
3008
3009   // Special case dead allocas, as they're trivial.
3010   if (AI.use_empty()) {
3011     AI.eraseFromParent();
3012     return true;
3013   }
3014
3015   // Skip alloca forms that this analysis can't handle.
3016   if (AI.isArrayAllocation() || !AI.getAllocatedType()->isSized() ||
3017       TD->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0)
3018     return false;
3019
3020   // First check if this is a non-aggregate type that we should simply promote.
3021   if (!AI.getAllocatedType()->isAggregateType() && isAllocaPromotable(&AI)) {
3022     DEBUG(dbgs() << "  Trivially scalar type, queuing for promotion...\n");
3023     PromotableAllocas.push_back(&AI);
3024     return false;
3025   }
3026
3027   bool Changed = false;
3028
3029   // First, split any FCA loads and stores touching this alloca to promote
3030   // better splitting and promotion opportunities.
3031   AggLoadStoreRewriter AggRewriter(*TD);
3032   Changed |= AggRewriter.rewrite(AI);
3033
3034   // Build the partition set using a recursive instruction-visiting builder.
3035   AllocaPartitioning P(*TD, AI);
3036   DEBUG(P.print(dbgs()));
3037   if (P.isEscaped())
3038     return Changed;
3039
3040   // No partitions to split. Leave the dead alloca for a later pass to clean up.
3041   if (P.begin() == P.end())
3042     return Changed;
3043
3044   // Delete all the dead users of this alloca before splitting and rewriting it.
3045   for (AllocaPartitioning::dead_user_iterator DI = P.dead_user_begin(),
3046                                               DE = P.dead_user_end();
3047        DI != DE; ++DI) {
3048     Changed = true;
3049     (*DI)->replaceAllUsesWith(UndefValue::get((*DI)->getType()));
3050     DeadInsts.push_back(*DI);
3051   }
3052   for (AllocaPartitioning::dead_op_iterator DO = P.dead_op_begin(),
3053                                             DE = P.dead_op_end();
3054        DO != DE; ++DO) {
3055     Value *OldV = **DO;
3056     // Clobber the use with an undef value.
3057     **DO = UndefValue::get(OldV->getType());
3058     if (Instruction *OldI = dyn_cast<Instruction>(OldV))
3059       if (isInstructionTriviallyDead(OldI)) {
3060         Changed = true;
3061         DeadInsts.push_back(OldI);
3062       }
3063   }
3064
3065   return splitAlloca(AI, P) || Changed;
3066 }
3067
3068 /// \brief Delete the dead instructions accumulated in this run.
3069 ///
3070 /// Recursively deletes the dead instructions we've accumulated. This is done
3071 /// at the very end to maximize locality of the recursive delete and to
3072 /// minimize the problems of invalidated instruction pointers as such pointers
3073 /// are used heavily in the intermediate stages of the algorithm.
3074 ///
3075 /// We also record the alloca instructions deleted here so that they aren't
3076 /// subsequently handed to mem2reg to promote.
3077 void SROA::deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst*, 4> &DeletedAllocas) {
3078   DeadSplitInsts.clear();
3079   while (!DeadInsts.empty()) {
3080     Instruction *I = DeadInsts.pop_back_val();
3081     DEBUG(dbgs() << "Deleting dead instruction: " << *I << "\n");
3082
3083     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
3084       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
3085         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
3086         *OI = 0;
3087         if (isInstructionTriviallyDead(U))
3088           DeadInsts.push_back(U);
3089       }
3090
3091     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
3092       DeletedAllocas.insert(AI);
3093
3094     ++NumDeleted;
3095     I->eraseFromParent();
3096   }
3097 }
3098
3099 /// \brief Promote the allocas, using the best available technique.
3100 ///
3101 /// This attempts to promote whatever allocas have been identified as viable in
3102 /// the PromotableAllocas list. If that list is empty, there is nothing to do.
3103 /// If there is a domtree available, we attempt to promote using the full power
3104 /// of mem2reg. Otherwise, we build and use the AllocaPromoter above which is
3105 /// based on the SSAUpdater utilities. This function returns whether any
3106 /// promotion occured.
3107 bool SROA::promoteAllocas(Function &F) {
3108   if (PromotableAllocas.empty())
3109     return false;
3110
3111   NumPromoted += PromotableAllocas.size();
3112
3113   if (DT && !ForceSSAUpdater) {
3114     DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with mem2reg...\n");
3115     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, *DT);
3116     PromotableAllocas.clear();
3117     return true;
3118   }
3119
3120   DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with SSAUpdater...\n");
3121   SSAUpdater SSA;
3122   DIBuilder DIB(*F.getParent());
3123   SmallVector<Instruction*, 64> Insts;
3124
3125   for (unsigned Idx = 0, Size = PromotableAllocas.size(); Idx != Size; ++Idx) {
3126     AllocaInst *AI = PromotableAllocas[Idx];
3127     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
3128          UI != UE;) {
3129       Instruction *I = cast<Instruction>(*UI++);
3130       // FIXME: Currently the SSAUpdater infrastructure doesn't reason about
3131       // lifetime intrinsics and so we strip them (and the bitcasts+GEPs
3132       // leading to them) here. Eventually it should use them to optimize the
3133       // scalar values produced.
3134       if (isa<BitCastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I)) {
3135         assert(onlyUsedByLifetimeMarkers(I) &&
3136                "Found a bitcast used outside of a lifetime marker.");
3137         while (!I->use_empty())
3138           cast<Instruction>(*I->use_begin())->eraseFromParent();
3139         I->eraseFromParent();
3140         continue;
3141       }
3142       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
3143         assert(II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
3144                II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
3145         II->eraseFromParent();
3146         continue;
3147       }
3148
3149       Insts.push_back(I);
3150     }
3151     AllocaPromoter(Insts, SSA, *AI, DIB).run(Insts);
3152     Insts.clear();
3153   }
3154
3155   PromotableAllocas.clear();
3156   return true;
3157 }
3158
3159 namespace {
3160   /// \brief A predicate to test whether an alloca belongs to a set.
3161   class IsAllocaInSet {
3162     typedef SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> SetType;
3163     const SetType &Set;
3164
3165   public:
3166     IsAllocaInSet(const SetType &Set) : Set(Set) {}
3167     bool operator()(AllocaInst *AI) { return Set.count(AI); }
3168   };
3169 }
3170
3171 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
3172   DEBUG(dbgs() << "SROA function: " << F.getName() << "\n");
3173   C = &F.getContext();
3174   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
3175   if (!TD) {
3176     DEBUG(dbgs() << "  Skipping SROA -- no target data!\n");
3177     return false;
3178   }
3179   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
3180
3181   BasicBlock &EntryBB = F.getEntryBlock();
3182   for (BasicBlock::iterator I = EntryBB.begin(), E = llvm::prior(EntryBB.end());
3183        I != E; ++I)
3184     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
3185       Worklist.insert(AI);
3186
3187   bool Changed = false;
3188   // A set of deleted alloca instruction pointers which should be removed from
3189   // the list of promotable allocas.
3190   SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> DeletedAllocas;
3191
3192   while (!Worklist.empty()) {
3193     Changed |= runOnAlloca(*Worklist.pop_back_val());
3194     deleteDeadInstructions(DeletedAllocas);
3195     if (!DeletedAllocas.empty()) {
3196       PromotableAllocas.erase(std::remove_if(PromotableAllocas.begin(),
3197                                              PromotableAllocas.end(),
3198                                              IsAllocaInSet(DeletedAllocas)),
3199                               PromotableAllocas.end());
3200       DeletedAllocas.clear();
3201     }
3202   }
3203
3204   Changed |= promoteAllocas(F);
3205
3206   return Changed;
3207 }
3208
3209 void SROA::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3210   if (RequiresDomTree)
3211     AU.addRequired<DominatorTree>();
3212   AU.setPreservesCFG();
3213 }