SROA: Silence unused variable warnings in Release builds.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SROA.cpp
1 //===- SROA.cpp - Scalar Replacement Of Aggregates ------------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 /// \file
10 /// This transformation implements the well known scalar replacement of
11 /// aggregates transformation. It tries to identify promotable elements of an
12 /// aggregate alloca, and promote them to registers. It will also try to
13 /// convert uses of an element (or set of elements) of an alloca into a vector
14 /// or bitfield-style integer scalar if appropriate.
15 ///
16 /// It works to do this with minimal slicing of the alloca so that regions
17 /// which are merely transferred in and out of external memory remain unchanged
18 /// and are not decomposed to scalar code.
19 ///
20 /// Because this also performs alloca promotion, it can be thought of as also
21 /// serving the purpose of SSA formation. The algorithm iterates on the
22 /// function until all opportunities for promotion have been realized.
23 ///
24 //===----------------------------------------------------------------------===//
25
26 #define DEBUG_TYPE "sroa"
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/Constants.h"
29 #include "llvm/DIBuilder.h"
30 #include "llvm/DebugInfo.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/GlobalVariable.h"
34 #include "llvm/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Instructions.h"
36 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
37 #include "llvm/LLVMContext.h"
38 #include "llvm/Module.h"
39 #include "llvm/Operator.h"
40 #include "llvm/Pass.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
45 #include "llvm/ADT/TinyPtrVector.h"
46 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
47 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
48 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
49 #include "llvm/Support/CallSite.h"
50 #include "llvm/Support/Debug.h"
51 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
52 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
53 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
54 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
55 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
56 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
57 #include "llvm/Target/TargetData.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
61 using namespace llvm;
62
63 STATISTIC(NumAllocasAnalyzed, "Number of allocas analyzed for replacement");
64 STATISTIC(NumNewAllocas,      "Number of new, smaller allocas introduced");
65 STATISTIC(NumPromoted,        "Number of allocas promoted to SSA values");
66 STATISTIC(NumLoadsSpeculated, "Number of loads speculated to allow promotion");
67 STATISTIC(NumDeleted,         "Number of instructions deleted");
68 STATISTIC(NumVectorized,      "Number of vectorized aggregates");
69
70 namespace {
71 /// \brief Alloca partitioning representation.
72 ///
73 /// This class represents a partitioning of an alloca into slices, and
74 /// information about the nature of uses of each slice of the alloca. The goal
75 /// is that this information is sufficient to decide if and how to split the
76 /// alloca apart and replace slices with scalars. It is also intended that this
77 /// structure can capture the relevant information needed both to decide about
78 /// and to enact these transformations.
79 class AllocaPartitioning {
80 public:
81   /// \brief A common base class for representing a half-open byte range.
82   struct ByteRange {
83     /// \brief The beginning offset of the range.
84     uint64_t BeginOffset;
85
86     /// \brief The ending offset, not included in the range.
87     uint64_t EndOffset;
88
89     ByteRange() : BeginOffset(), EndOffset() {}
90     ByteRange(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset)
91         : BeginOffset(BeginOffset), EndOffset(EndOffset) {}
92
93     /// \brief Support for ordering ranges.
94     ///
95     /// This provides an ordering over ranges such that start offsets are
96     /// always increasing, and within equal start offsets, the end offsets are
97     /// decreasing. Thus the spanning range comes first in a cluster with the
98     /// same start position.
99     bool operator<(const ByteRange &RHS) const {
100       if (BeginOffset < RHS.BeginOffset) return true;
101       if (BeginOffset > RHS.BeginOffset) return false;
102       if (EndOffset > RHS.EndOffset) return true;
103       return false;
104     }
105
106     /// \brief Support comparison with a single offset to allow binary searches.
107     bool operator<(uint64_t RHSOffset) const {
108       return BeginOffset < RHSOffset;
109     }
110
111     bool operator==(const ByteRange &RHS) const {
112       return BeginOffset == RHS.BeginOffset && EndOffset == RHS.EndOffset;
113     }
114     bool operator!=(const ByteRange &RHS) const { return !operator==(RHS); }
115   };
116
117   /// \brief A partition of an alloca.
118   ///
119   /// This structure represents a contiguous partition of the alloca. These are
120   /// formed by examining the uses of the alloca. During formation, they may
121   /// overlap but once an AllocaPartitioning is built, the Partitions within it
122   /// are all disjoint.
123   struct Partition : public ByteRange {
124     /// \brief Whether this partition is splittable into smaller partitions.
125     ///
126     /// We flag partitions as splittable when they are formed entirely due to
127     /// accesses by trivially splittable operations such as memset and memcpy.
128     ///
129     /// FIXME: At some point we should consider loads and stores of FCAs to be
130     /// splittable and eagerly split them into scalar values.
131     bool IsSplittable;
132
133     Partition() : ByteRange(), IsSplittable() {}
134     Partition(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset, bool IsSplittable)
135         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), IsSplittable(IsSplittable) {}
136   };
137
138   /// \brief A particular use of a partition of the alloca.
139   ///
140   /// This structure is used to associate uses of a partition with it. They
141   /// mark the range of bytes which are referenced by a particular instruction,
142   /// and includes a handle to the user itself and the pointer value in use.
143   /// The bounds of these uses are determined by intersecting the bounds of the
144   /// memory use itself with a particular partition. As a consequence there is
145   /// intentionally overlap between various uses of the same partition.
146   struct PartitionUse : public ByteRange {
147     /// \brief The user of this range of the alloca.
148     AssertingVH<Instruction> User;
149
150     /// \brief The particular pointer value derived from this alloca in use.
151     AssertingVH<Instruction> Ptr;
152
153     PartitionUse() : ByteRange(), User(), Ptr() {}
154     PartitionUse(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset,
155                  Instruction *User, Instruction *Ptr)
156         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), User(User), Ptr(Ptr) {}
157   };
158
159   /// \brief Construct a partitioning of a particular alloca.
160   ///
161   /// Construction does most of the work for partitioning the alloca. This
162   /// performs the necessary walks of users and builds a partitioning from it.
163   AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI);
164
165   /// \brief Test whether a pointer to the allocation escapes our analysis.
166   ///
167   /// If this is true, the partitioning is never fully built and should be
168   /// ignored.
169   bool isEscaped() const { return PointerEscapingInstr; }
170
171   /// \brief Support for iterating over the partitions.
172   /// @{
173   typedef SmallVectorImpl<Partition>::iterator iterator;
174   iterator begin() { return Partitions.begin(); }
175   iterator end() { return Partitions.end(); }
176
177   typedef SmallVectorImpl<Partition>::const_iterator const_iterator;
178   const_iterator begin() const { return Partitions.begin(); }
179   const_iterator end() const { return Partitions.end(); }
180   /// @}
181
182   /// \brief Support for iterating over and manipulating a particular
183   /// partition's uses.
184   ///
185   /// The iteration support provided for uses is more limited, but also
186   /// includes some manipulation routines to support rewriting the uses of
187   /// partitions during SROA.
188   /// @{
189   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::iterator use_iterator;
190   use_iterator use_begin(unsigned Idx) { return Uses[Idx].begin(); }
191   use_iterator use_begin(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].begin(); }
192   use_iterator use_end(unsigned Idx) { return Uses[Idx].end(); }
193   use_iterator use_end(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].end(); }
194   void use_insert(unsigned Idx, use_iterator UI, const PartitionUse &U) {
195     Uses[Idx].insert(UI, U);
196   }
197   void use_insert(const_iterator I, use_iterator UI, const PartitionUse &U) {
198     Uses[I - begin()].insert(UI, U);
199   }
200   void use_erase(unsigned Idx, use_iterator UI) { Uses[Idx].erase(UI); }
201   void use_erase(const_iterator I, use_iterator UI) {
202     Uses[I - begin()].erase(UI);
203   }
204
205   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::const_iterator const_use_iterator;
206   const_use_iterator use_begin(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].begin(); }
207   const_use_iterator use_begin(const_iterator I) const {
208     return Uses[I - begin()].begin();
209   }
210   const_use_iterator use_end(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].end(); }
211   const_use_iterator use_end(const_iterator I) const {
212     return Uses[I - begin()].end();
213   }
214   /// @}
215
216   /// \brief Allow iterating the dead users for this alloca.
217   ///
218   /// These are instructions which will never actually use the alloca as they
219   /// are outside the allocated range. They are safe to replace with undef and
220   /// delete.
221   /// @{
222   typedef SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator dead_user_iterator;
223   dead_user_iterator dead_user_begin() const { return DeadUsers.begin(); }
224   dead_user_iterator dead_user_end() const { return DeadUsers.end(); }
225   /// @}
226
227   /// \brief Allow iterating the dead expressions referring to this alloca.
228   ///
229   /// These are operands which have cannot actually be used to refer to the
230   /// alloca as they are outside its range and the user doesn't correct for
231   /// that. These mostly consist of PHI node inputs and the like which we just
232   /// need to replace with undef.
233   /// @{
234   typedef SmallVectorImpl<Use *>::const_iterator dead_op_iterator;
235   dead_op_iterator dead_op_begin() const { return DeadOperands.begin(); }
236   dead_op_iterator dead_op_end() const { return DeadOperands.end(); }
237   /// @}
238
239   /// \brief MemTransferInst auxiliary data.
240   /// This struct provides some auxiliary data about memory transfer
241   /// intrinsics such as memcpy and memmove. These intrinsics can use two
242   /// different ranges within the same alloca, and provide other challenges to
243   /// correctly represent. We stash extra data to help us untangle this
244   /// after the partitioning is complete.
245   struct MemTransferOffsets {
246     uint64_t DestBegin, DestEnd;
247     uint64_t SourceBegin, SourceEnd;
248     bool IsSplittable;
249   };
250   MemTransferOffsets getMemTransferOffsets(MemTransferInst &II) const {
251     return MemTransferInstData.lookup(&II);
252   }
253
254   /// \brief Map from a PHI or select operand back to a partition.
255   ///
256   /// When manipulating PHI nodes or selects, they can use more than one
257   /// partition of an alloca. We store a special mapping to allow finding the
258   /// partition referenced by each of these operands, if any.
259   iterator findPartitionForPHIOrSelectOperand(Instruction &I, Value *Op) {
260     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
261                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
262       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
263     if (MapIt == PHIOrSelectOpMap.end())
264       return end();
265
266     return begin() + MapIt->second.first;
267   }
268
269   /// \brief Map from a PHI or select operand back to the specific use of
270   /// a partition.
271   ///
272   /// Similar to mapping these operands back to the partitions, this maps
273   /// directly to the use structure of that partition.
274   use_iterator findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(Instruction &I,
275                                                      Value *Op) {
276     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
277                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
278       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
279     assert(MapIt != PHIOrSelectOpMap.end());
280     return Uses[MapIt->second.first].begin() + MapIt->second.second;
281   }
282
283   /// \brief Compute a common type among the uses of a particular partition.
284   ///
285   /// This routines walks all of the uses of a particular partition and tries
286   /// to find a common type between them. Untyped operations such as memset and
287   /// memcpy are ignored.
288   Type *getCommonType(iterator I) const;
289
290 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
291   void print(raw_ostream &OS, const_iterator I, StringRef Indent = "  ") const;
292   void printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
293                   StringRef Indent = "  ") const;
294   void print(raw_ostream &OS) const;
295   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump(const_iterator I) const;
296   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump() const;
297 #endif
298
299 private:
300   template <typename DerivedT, typename RetT = void> class BuilderBase;
301   class PartitionBuilder;
302   friend class AllocaPartitioning::PartitionBuilder;
303   class UseBuilder;
304   friend class AllocaPartitioning::UseBuilder;
305
306 #ifndef NDEBUG
307   /// \brief Handle to alloca instruction to simplify method interfaces.
308   AllocaInst &AI;
309 #endif
310
311   /// \brief The instruction responsible for this alloca having no partitioning.
312   ///
313   /// When an instruction (potentially) escapes the pointer to the alloca, we
314   /// store a pointer to that here and abort trying to partition the alloca.
315   /// This will be null if the alloca is partitioned successfully.
316   Instruction *PointerEscapingInstr;
317
318   /// \brief The partitions of the alloca.
319   ///
320   /// We store a vector of the partitions over the alloca here. This vector is
321   /// sorted by increasing begin offset, and then by decreasing end offset. See
322   /// the Partition inner class for more details. Initially (during
323   /// construction) there are overlaps, but we form a disjoint sequence of
324   /// partitions while finishing construction and a fully constructed object is
325   /// expected to always have this as a disjoint space.
326   SmallVector<Partition, 8> Partitions;
327
328   /// \brief The uses of the partitions.
329   ///
330   /// This is essentially a mapping from each partition to a list of uses of
331   /// that partition. The mapping is done with a Uses vector that has the exact
332   /// same number of entries as the partition vector. Each entry is itself
333   /// a vector of the uses.
334   SmallVector<SmallVector<PartitionUse, 2>, 8> Uses;
335
336   /// \brief Instructions which will become dead if we rewrite the alloca.
337   ///
338   /// Note that these are not separated by partition. This is because we expect
339   /// a partitioned alloca to be completely rewritten or not rewritten at all.
340   /// If rewritten, all these instructions can simply be removed and replaced
341   /// with undef as they come from outside of the allocated space.
342   SmallVector<Instruction *, 8> DeadUsers;
343
344   /// \brief Operands which will become dead if we rewrite the alloca.
345   ///
346   /// These are operands that in their particular use can be replaced with
347   /// undef when we rewrite the alloca. These show up in out-of-bounds inputs
348   /// to PHI nodes and the like. They aren't entirely dead (there might be
349   /// a GEP back into the bounds using it elsewhere) and nor is the PHI, but we
350   /// want to swap this particular input for undef to simplify the use lists of
351   /// the alloca.
352   SmallVector<Use *, 8> DeadOperands;
353
354   /// \brief The underlying storage for auxiliary memcpy and memset info.
355   SmallDenseMap<MemTransferInst *, MemTransferOffsets, 4> MemTransferInstData;
356
357   /// \brief A side datastructure used when building up the partitions and uses.
358   ///
359   /// This mapping is only really used during the initial building of the
360   /// partitioning so that we can retain information about PHI and select nodes
361   /// processed.
362   SmallDenseMap<Instruction *, std::pair<uint64_t, bool> > PHIOrSelectSizes;
363
364   /// \brief Auxiliary information for particular PHI or select operands.
365   SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
366                 std::pair<unsigned, unsigned>, 4> PHIOrSelectOpMap;
367
368   /// \brief A utility routine called from the constructor.
369   ///
370   /// This does what it says on the tin. It is the key of the alloca partition
371   /// splitting and merging. After it is called we have the desired disjoint
372   /// collection of partitions.
373   void splitAndMergePartitions();
374 };
375 }
376
377 template <typename DerivedT, typename RetT>
378 class AllocaPartitioning::BuilderBase
379     : public InstVisitor<DerivedT, RetT> {
380 public:
381   BuilderBase(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
382       : TD(TD),
383         AllocSize(TD.getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType())),
384         P(P) {
385     enqueueUsers(AI, 0);
386   }
387
388 protected:
389   const TargetData &TD;
390   const uint64_t AllocSize;
391   AllocaPartitioning &P;
392
393   struct OffsetUse {
394     Use *U;
395     uint64_t Offset;
396   };
397   SmallVector<OffsetUse, 8> Queue;
398
399   // The active offset and use while visiting.
400   Use *U;
401   uint64_t Offset;
402
403   void enqueueUsers(Instruction &I, uint64_t UserOffset) {
404     SmallPtrSet<User *, 8> UserSet;
405     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
406          UI != UE; ++UI) {
407       if (!UserSet.insert(*UI))
408         continue;
409
410       OffsetUse OU = { &UI.getUse(), UserOffset };
411       Queue.push_back(OU);
412     }
413   }
414
415   bool computeConstantGEPOffset(GetElementPtrInst &GEPI, uint64_t &GEPOffset) {
416     GEPOffset = Offset;
417     for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEPI), GTE = gep_type_end(GEPI);
418          GTI != GTE; ++GTI) {
419       ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
420       if (!OpC)
421         return false;
422       if (OpC->isZero())
423         continue;
424
425       // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
426       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
427         unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
428         const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
429         GEPOffset += SL->getElementOffset(ElementIdx);
430         continue;
431       }
432
433       GEPOffset
434         += OpC->getZExtValue() * TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
435     }
436     return true;
437   }
438
439   Value *foldSelectInst(SelectInst &SI) {
440     // If the condition being selected on is a constant or the same value is
441     // being selected between, fold the select. Yes this does (rarely) happen
442     // early on.
443     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI.getCondition()))
444       return SI.getOperand(1+CI->isZero());
445     if (SI.getOperand(1) == SI.getOperand(2)) {
446       assert(*U == SI.getOperand(1));
447       return SI.getOperand(1);
448     }
449     return 0;
450   }
451 };
452
453 /// \brief Builder for the alloca partitioning.
454 ///
455 /// This class builds an alloca partitioning by recursively visiting the uses
456 /// of an alloca and splitting the partitions for each load and store at each
457 /// offset.
458 class AllocaPartitioning::PartitionBuilder
459     : public BuilderBase<PartitionBuilder, bool> {
460   friend class InstVisitor<PartitionBuilder, bool>;
461
462   SmallDenseMap<Instruction *, unsigned> MemTransferPartitionMap;
463
464 public:
465   PartitionBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
466       : BuilderBase<PartitionBuilder, bool>(TD, AI, P) {}
467
468   /// \brief Run the builder over the allocation.
469   bool operator()() {
470     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
471     // the queue grows at the tail.
472     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
473       U = Queue[Idx].U;
474       Offset = Queue[Idx].Offset;
475       if (!visit(cast<Instruction>(U->getUser())))
476         return false;
477     }
478     return true;
479   }
480
481 private:
482   bool markAsEscaping(Instruction &I) {
483     P.PointerEscapingInstr = &I;
484     return false;
485   }
486
487   void insertUse(Instruction &I, uint64_t Size, bool IsSplittable = false) {
488     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
489
490     // Completely skip uses which start outside of the allocation.
491     if (BeginOffset >= AllocSize) {
492       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte use @" << Offset
493                    << " which starts past the end of the " << AllocSize
494                    << " byte alloca:\n"
495                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
496                    << "       use: " << I << "\n");
497       return;
498     }
499
500     // Clamp the size to the allocation.
501     if (EndOffset > AllocSize) {
502       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
503                    << " to remain within the " << AllocSize << " byte alloca:\n"
504                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
505                    << "       use: " << I << "\n");
506       EndOffset = AllocSize;
507     }
508
509     // See if we can just add a user onto the last slot currently occupied.
510     if (!P.Partitions.empty() &&
511         P.Partitions.back().BeginOffset == BeginOffset &&
512         P.Partitions.back().EndOffset == EndOffset) {
513       P.Partitions.back().IsSplittable &= IsSplittable;
514       return;
515     }
516
517     Partition New(BeginOffset, EndOffset, IsSplittable);
518     P.Partitions.push_back(New);
519   }
520
521   bool handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
522     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
523
524     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
525     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
526     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
527     // behavior of insertUse. We also try to handle cases which might run the
528     // risk of overflow.
529     // FIXME: We should instead consider the pointer to have escaped if this
530     // function is being instrumented for addressing bugs or race conditions.
531     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize) {
532       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte "
533                    << (isa<LoadInst>(I) ? "load" : "store") << " @" << Offset
534                    << " which extends past the end of the " << AllocSize
535                    << " byte alloca:\n"
536                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
537                    << "       use: " << I << "\n");
538       return true;
539     }
540
541     insertUse(I, Size);
542     return true;
543   }
544
545   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
546     enqueueUsers(BC, Offset);
547     return true;
548   }
549
550   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
551     uint64_t GEPOffset;
552     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
553       return markAsEscaping(GEPI);
554
555     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
556     return true;
557   }
558
559   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
560     return handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
561   }
562
563   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
564     if (SI.getOperand(0) == *U)
565       return markAsEscaping(SI);
566
567     return handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
568   }
569
570
571   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
572     assert(II.getRawDest() == *U && "Pointer use is not the destination?");
573     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
574     insertUse(II, Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, Length);
575     return true;
576   }
577
578   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
579     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
580     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
581     if (!Size)
582       // Zero-length mem transfer intrinsics can be ignored entirely.
583       return true;
584
585     MemTransferOffsets &Offsets = P.MemTransferInstData[&II];
586
587     // Only intrinsics with a constant length can be split.
588     Offsets.IsSplittable = Length;
589
590     if (*U != II.getRawDest()) {
591       assert(*U == II.getRawSource());
592       Offsets.SourceBegin = Offset;
593       Offsets.SourceEnd = Offset + Size;
594     } else {
595       Offsets.DestBegin = Offset;
596       Offsets.DestEnd = Offset + Size;
597     }
598
599     insertUse(II, Size, Offsets.IsSplittable);
600     unsigned NewIdx = P.Partitions.size() - 1;
601
602     SmallDenseMap<Instruction *, unsigned>::const_iterator PMI;
603     bool Inserted = false;
604     llvm::tie(PMI, Inserted)
605       = MemTransferPartitionMap.insert(std::make_pair(&II, NewIdx));
606     if (!Inserted && Offsets.IsSplittable) {
607       // We've found a memory transfer intrinsic which refers to the alloca as
608       // both a source and dest. We refuse to split these to simplify splitting
609       // logic. If possible, SROA will still split them into separate allocas
610       // and then re-analyze.
611       Offsets.IsSplittable = false;
612       P.Partitions[PMI->second].IsSplittable = false;
613       P.Partitions[NewIdx].IsSplittable = false;
614     }
615
616     return true;
617   }
618
619   // Disable SRoA for any intrinsics except for lifetime invariants.
620   // FIXME: What about debug instrinsics? This matches old behavior, but
621   // doesn't make sense.
622   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
623     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
624         II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
625       ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
626       uint64_t Size = std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue());
627       insertUse(II, Size, true);
628       return true;
629     }
630
631     return markAsEscaping(II);
632   }
633
634   Instruction *hasUnsafePHIOrSelectUse(Instruction *Root, uint64_t &Size) {
635     // We consider any PHI or select that results in a direct load or store of
636     // the same offset to be a viable use for partitioning purposes. These uses
637     // are considered unsplittable and the size is the maximum loaded or stored
638     // size.
639     SmallPtrSet<Instruction *, 4> Visited;
640     SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 4> Uses;
641     Visited.insert(Root);
642     Uses.push_back(std::make_pair(cast<Instruction>(*U), Root));
643     do {
644       Instruction *I, *UsedI;
645       llvm::tie(UsedI, I) = Uses.pop_back_val();
646
647       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
648         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(LI->getType()));
649         continue;
650       }
651       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
652         Value *Op = SI->getOperand(0);
653         if (Op == UsedI)
654           return SI;
655         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(Op->getType()));
656         continue;
657       }
658
659       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
660         if (!GEP->hasAllZeroIndices())
661           return GEP;
662       } else if (!isa<BitCastInst>(I) && !isa<PHINode>(I) &&
663                  !isa<SelectInst>(I)) {
664         return I;
665       }
666
667       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end(); UI != UE;
668            ++UI)
669         if (Visited.insert(cast<Instruction>(*UI)))
670           Uses.push_back(std::make_pair(I, cast<Instruction>(*UI)));
671     } while (!Uses.empty());
672
673     return 0;
674   }
675
676   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
677     // See if we already have computed info on this node.
678     std::pair<uint64_t, bool> &PHIInfo = P.PHIOrSelectSizes[&PN];
679     if (PHIInfo.first) {
680       PHIInfo.second = true;
681       insertUse(PN, PHIInfo.first);
682       return true;
683     }
684
685     // Check for an unsafe use of the PHI node.
686     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&PN, PHIInfo.first))
687       return markAsEscaping(*EscapingI);
688
689     insertUse(PN, PHIInfo.first);
690     return true;
691   }
692
693   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
694     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
695       if (Result == *U)
696         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
697         // through the select as if we had RAUW'ed it.
698         enqueueUsers(SI, Offset);
699
700       return true;
701     }
702
703     // See if we already have computed info on this node.
704     std::pair<uint64_t, bool> &SelectInfo = P.PHIOrSelectSizes[&SI];
705     if (SelectInfo.first) {
706       SelectInfo.second = true;
707       insertUse(SI, SelectInfo.first);
708       return true;
709     }
710
711     // Check for an unsafe use of the PHI node.
712     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&SI, SelectInfo.first))
713       return markAsEscaping(*EscapingI);
714
715     insertUse(SI, SelectInfo.first);
716     return true;
717   }
718
719   /// \brief Disable SROA entirely if there are unhandled users of the alloca.
720   bool visitInstruction(Instruction &I) { return markAsEscaping(I); }
721 };
722
723
724 /// \brief Use adder for the alloca partitioning.
725 ///
726 /// This class adds the uses of an alloca to all of the partitions which they
727 /// use. For splittable partitions, this can end up doing essentially a linear
728 /// walk of the partitions, but the number of steps remains bounded by the
729 /// total result instruction size:
730 /// - The number of partitions is a result of the number unsplittable
731 ///   instructions using the alloca.
732 /// - The number of users of each partition is at worst the total number of
733 ///   splittable instructions using the alloca.
734 /// Thus we will produce N * M instructions in the end, where N are the number
735 /// of unsplittable uses and M are the number of splittable. This visitor does
736 /// the exact same number of updates to the partitioning.
737 ///
738 /// In the more common case, this visitor will leverage the fact that the
739 /// partition space is pre-sorted, and do a logarithmic search for the
740 /// partition needed, making the total visit a classical ((N + M) * log(N))
741 /// complexity operation.
742 class AllocaPartitioning::UseBuilder : public BuilderBase<UseBuilder> {
743   friend class InstVisitor<UseBuilder>;
744
745   /// \brief Set to de-duplicate dead instructions found in the use walk.
746   SmallPtrSet<Instruction *, 4> VisitedDeadInsts;
747
748 public:
749   UseBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
750       : BuilderBase<UseBuilder>(TD, AI, P) {}
751
752   /// \brief Run the builder over the allocation.
753   void operator()() {
754     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
755     // the queue grows at the tail.
756     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
757       U = Queue[Idx].U;
758       Offset = Queue[Idx].Offset;
759       this->visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
760     }
761   }
762
763 private:
764   void markAsDead(Instruction &I) {
765     if (VisitedDeadInsts.insert(&I))
766       P.DeadUsers.push_back(&I);
767   }
768
769   void insertUse(uint64_t Size, Instruction &User) {
770     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = Offset + Size;
771
772     // If the use extends outside of the allocation, record it as a dead use
773     // for elimination later.
774     if (BeginOffset >= AllocSize || Size == 0)
775       return markAsDead(User);
776
777     // Bound the use by the size of the allocation.
778     if (EndOffset > AllocSize)
779       EndOffset = AllocSize;
780
781     // NB: This only works if we have zero overlapping partitions.
782     iterator B = std::lower_bound(P.begin(), P.end(), BeginOffset);
783     if (B != P.begin() && llvm::prior(B)->EndOffset > BeginOffset)
784       B = llvm::prior(B);
785     for (iterator I = B, E = P.end(); I != E && I->BeginOffset < EndOffset;
786          ++I) {
787       PartitionUse NewUse(std::max(I->BeginOffset, BeginOffset),
788                           std::min(I->EndOffset, EndOffset),
789                           &User, cast<Instruction>(*U));
790       P.Uses[I - P.begin()].push_back(NewUse);
791       if (isa<PHINode>(U->getUser()) || isa<SelectInst>(U->getUser()))
792         P.PHIOrSelectOpMap[std::make_pair(&User, U->get())]
793           = std::make_pair(I - P.begin(), P.Uses[I - P.begin()].size() - 1);
794     }
795   }
796
797   void handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I) {
798     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
799
800     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
801     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
802     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
803     // behavior of insertUse.
804     if (Offset >= AllocSize || Size > AllocSize || Offset + Size > AllocSize)
805       return markAsDead(I);
806
807     insertUse(Size, I);
808   }
809
810   void visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
811     if (BC.use_empty())
812       return markAsDead(BC);
813
814     enqueueUsers(BC, Offset);
815   }
816
817   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
818     if (GEPI.use_empty())
819       return markAsDead(GEPI);
820
821     uint64_t GEPOffset;
822     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
823       llvm_unreachable("Unable to compute constant offset for use");
824
825     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
826   }
827
828   void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
829     handleLoadOrStore(LI.getType(), LI);
830   }
831
832   void visitStoreInst(StoreInst &SI) {
833     handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI);
834   }
835
836   void visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
837     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
838     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
839   }
840
841   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
842     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
843     insertUse(Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset, II);
844   }
845
846   void visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
847     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
848            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
849
850     ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
851     insertUse(std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue()), II);
852   }
853
854   void insertPHIOrSelect(Instruction &User) {
855     uint64_t Size = P.PHIOrSelectSizes.lookup(&User).first;
856
857     // For PHI and select operands outside the alloca, we can't nuke the entire
858     // phi or select -- the other side might still be relevant, so we special
859     // case them here and use a separate structure to track the operands
860     // themselves which should be replaced with undef.
861     if (Offset >= AllocSize) {
862       P.DeadOperands.push_back(U);
863       return;
864     }
865
866     insertUse(Size, User);
867   }
868   void visitPHINode(PHINode &PN) {
869     if (PN.use_empty())
870       return markAsDead(PN);
871
872     insertPHIOrSelect(PN);
873   }
874   void visitSelectInst(SelectInst &SI) {
875     if (SI.use_empty())
876       return markAsDead(SI);
877
878     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
879       if (Result == *U)
880         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
881         // through the select as if we had RAUW'ed it.
882         enqueueUsers(SI, Offset);
883
884       return;
885     }
886
887     insertPHIOrSelect(SI);
888   }
889
890   /// \brief Unreachable, we've already visited the alloca once.
891   void visitInstruction(Instruction &I) {
892     llvm_unreachable("Unhandled instruction in use builder.");
893   }
894 };
895
896 void AllocaPartitioning::splitAndMergePartitions() {
897   size_t NumDeadPartitions = 0;
898
899   // Track the range of splittable partitions that we pass when accumulating
900   // overlapping unsplittable partitions.
901   uint64_t SplitEndOffset = 0ull;
902
903   Partition New(0ull, 0ull, false);
904
905   for (unsigned i = 0, j = i, e = Partitions.size(); i != e; i = j) {
906     ++j;
907
908     if (!Partitions[i].IsSplittable || New.BeginOffset == New.EndOffset) {
909       assert(New.BeginOffset == New.EndOffset);
910       New = Partitions[i];
911     } else {
912       assert(New.IsSplittable);
913       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[i].EndOffset);
914     }
915     assert(New.BeginOffset != New.EndOffset);
916
917     // Scan the overlapping partitions.
918     while (j != e && New.EndOffset > Partitions[j].BeginOffset) {
919       // If the new partition we are forming is splittable, stop at the first
920       // unsplittable partition.
921       if (New.IsSplittable && !Partitions[j].IsSplittable)
922         break;
923
924       // Grow the new partition to include any equally splittable range. 'j' is
925       // always equally splittable when New is splittable, but when New is not
926       // splittable, we may subsume some (or part of some) splitable partition
927       // without growing the new one.
928       if (New.IsSplittable == Partitions[j].IsSplittable) {
929         New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[j].EndOffset);
930       } else {
931         assert(!New.IsSplittable);
932         assert(Partitions[j].IsSplittable);
933         SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, Partitions[j].EndOffset);
934       }
935
936       Partitions[j].BeginOffset = Partitions[j].EndOffset = UINT64_MAX;
937       ++NumDeadPartitions;
938       ++j;
939     }
940
941     // If the new partition is splittable, chop off the end as soon as the
942     // unsplittable subsequent partition starts and ensure we eventually cover
943     // the splittable area.
944     if (j != e && New.IsSplittable) {
945       SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, New.EndOffset);
946       New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
947     }
948
949     // Add the new partition if it differs from the original one and is
950     // non-empty. We can end up with an empty partition here if it was
951     // splittable but there is an unsplittable one that starts at the same
952     // offset.
953     if (New != Partitions[i]) {
954       if (New.BeginOffset != New.EndOffset)
955         Partitions.push_back(New);
956       // Mark the old one for removal.
957       Partitions[i].BeginOffset = Partitions[i].EndOffset = UINT64_MAX;
958       ++NumDeadPartitions;
959     }
960
961     New.BeginOffset = New.EndOffset;
962     if (!New.IsSplittable) {
963       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, SplitEndOffset);
964       if (j != e && !Partitions[j].IsSplittable)
965         New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
966       New.IsSplittable = true;
967       // If there is a trailing splittable partition which won't be fused into
968       // the next splittable partition go ahead and add it onto the partitions
969       // list.
970       if (New.BeginOffset < New.EndOffset &&
971           (j == e || !Partitions[j].IsSplittable ||
972            New.EndOffset < Partitions[j].BeginOffset)) {
973         Partitions.push_back(New);
974         New.BeginOffset = New.EndOffset = 0ull;
975       }
976     }
977   }
978
979   // Re-sort the partitions now that they have been split and merged into
980   // disjoint set of partitions. Also remove any of the dead partitions we've
981   // replaced in the process.
982   std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
983   if (NumDeadPartitions) {
984     assert(Partitions.back().BeginOffset == UINT64_MAX);
985     assert(Partitions.back().EndOffset == UINT64_MAX);
986     assert((ptrdiff_t)NumDeadPartitions ==
987            std::count(Partitions.begin(), Partitions.end(), Partitions.back()));
988   }
989   Partitions.erase(Partitions.end() - NumDeadPartitions, Partitions.end());
990 }
991
992 AllocaPartitioning::AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI)
993     :
994 #ifndef NDEBUG
995       AI(AI),
996 #endif
997       PointerEscapingInstr(0) {
998   PartitionBuilder PB(TD, AI, *this);
999   if (!PB())
1000     return;
1001
1002   if (Partitions.size() > 1) {
1003     // Sort the uses. This arranges for the offsets to be in ascending order,
1004     // and the sizes to be in descending order.
1005     std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1006
1007     // Intersect splittability for all partitions with equal offsets and sizes.
1008     // Then remove all but the first so that we have a sequence of non-equal but
1009     // potentially overlapping partitions.
1010     for (iterator I = Partitions.begin(), J = I, E = Partitions.end(); I != E;
1011          I = J) {
1012       ++J;
1013       while (J != E && *I == *J) {
1014         I->IsSplittable &= J->IsSplittable;
1015         ++J;
1016       }
1017     }
1018     Partitions.erase(std::unique(Partitions.begin(), Partitions.end()),
1019                      Partitions.end());
1020
1021     // Split splittable and merge unsplittable partitions into a disjoint set
1022     // of partitions over the used space of the allocation.
1023     splitAndMergePartitions();
1024   }
1025
1026   // Now build up the user lists for each of these disjoint partitions by
1027   // re-walking the recursive users of the alloca.
1028   Uses.resize(Partitions.size());
1029   UseBuilder UB(TD, AI, *this);
1030   UB();
1031   for (iterator I = Partitions.begin(), E = Partitions.end(); I != E; ++I)
1032     std::stable_sort(use_begin(I), use_end(I));
1033 }
1034
1035 Type *AllocaPartitioning::getCommonType(iterator I) const {
1036   Type *Ty = 0;
1037   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I); UI != UE; ++UI) {
1038     if (isa<MemIntrinsic>(*UI->User))
1039       continue;
1040     if (UI->BeginOffset != I->BeginOffset || UI->EndOffset != I->EndOffset)
1041       break;
1042
1043     Type *UserTy = 0;
1044     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*UI->User)) {
1045       UserTy = LI->getType();
1046     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*UI->User)) {
1047       UserTy = SI->getValueOperand()->getType();
1048     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(&*UI->User)) {
1049       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(SI->getType()))
1050         UserTy = PtrTy->getElementType();
1051     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&*UI->User)) {
1052       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(PN->getType()))
1053         UserTy = PtrTy->getElementType();
1054     }
1055
1056     if (Ty && Ty != UserTy)
1057       return 0;
1058
1059     Ty = UserTy;
1060   }
1061   return Ty;
1062 }
1063
1064 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1065
1066 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1067                                StringRef Indent) const {
1068   OS << Indent << "partition #" << (I - begin())
1069      << " [" << I->BeginOffset << "," << I->EndOffset << ")"
1070      << (I->IsSplittable ? " (splittable)" : "")
1071      << (Uses[I - begin()].empty() ? " (zero uses)" : "")
1072      << "\n";
1073 }
1074
1075 void AllocaPartitioning::printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1076                                     StringRef Indent) const {
1077   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I);
1078        UI != UE; ++UI) {
1079     OS << Indent << "  [" << UI->BeginOffset << "," << UI->EndOffset << ") "
1080        << "used by: " << *UI->User << "\n";
1081     if (MemTransferInst *II = dyn_cast<MemTransferInst>(&*UI->User)) {
1082       const MemTransferOffsets &MTO = MemTransferInstData.lookup(II);
1083       bool IsDest;
1084       if (!MTO.IsSplittable)
1085         IsDest = UI->BeginOffset == MTO.DestBegin;
1086       else
1087         IsDest = MTO.DestBegin != 0u;
1088       OS << Indent << "    (original " << (IsDest ? "dest" : "source") << ": "
1089          << "[" << (IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin)
1090          << "," << (IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd) << ")\n";
1091     }
1092   }
1093 }
1094
1095 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS) const {
1096   if (PointerEscapingInstr) {
1097     OS << "No partitioning for alloca: " << AI << "\n"
1098        << "  A pointer to this alloca escaped by:\n"
1099        << "  " << *PointerEscapingInstr << "\n";
1100     return;
1101   }
1102
1103   OS << "Partitioning of alloca: " << AI << "\n";
1104   unsigned Num = 0;
1105   for (const_iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I, ++Num) {
1106     print(OS, I);
1107     printUsers(OS, I);
1108   }
1109 }
1110
1111 void AllocaPartitioning::dump(const_iterator I) const { print(dbgs(), I); }
1112 void AllocaPartitioning::dump() const { print(dbgs()); }
1113
1114 #endif // !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1115
1116
1117 namespace {
1118 /// \brief An optimization pass providing Scalar Replacement of Aggregates.
1119 ///
1120 /// This pass takes allocations which can be completely analyzed (that is, they
1121 /// don't escape) and tries to turn them into scalar SSA values. There are
1122 /// a few steps to this process.
1123 ///
1124 /// 1) It takes allocations of aggregates and analyzes the ways in which they
1125 ///    are used to try to split them into smaller allocations, ideally of
1126 ///    a single scalar data type. It will split up memcpy and memset accesses
1127 ///    as necessary and try to isolate invidual scalar accesses.
1128 /// 2) It will transform accesses into forms which are suitable for SSA value
1129 ///    promotion. This can be replacing a memset with a scalar store of an
1130 ///    integer value, or it can involve speculating operations on a PHI or
1131 ///    select to be a PHI or select of the results.
1132 /// 3) Finally, this will try to detect a pattern of accesses which map cleanly
1133 ///    onto insert and extract operations on a vector value, and convert them to
1134 ///    this form. By doing so, it will enable promotion of vector aggregates to
1135 ///    SSA vector values.
1136 class SROA : public FunctionPass {
1137   LLVMContext *C;
1138   const TargetData *TD;
1139   DominatorTree *DT;
1140
1141   /// \brief Worklist of alloca instructions to simplify.
1142   ///
1143   /// Each alloca in the function is added to this. Each new alloca formed gets
1144   /// added to it as well to recursively simplify unless that alloca can be
1145   /// directly promoted. Finally, each time we rewrite a use of an alloca other
1146   /// the one being actively rewritten, we add it back onto the list if not
1147   /// already present to ensure it is re-visited.
1148   SetVector<AllocaInst *, SmallVector<AllocaInst *, 16> > Worklist;
1149
1150   /// \brief A collection of instructions to delete.
1151   /// We try to batch deletions to simplify code and make things a bit more
1152   /// efficient.
1153   SmallVector<Instruction *, 8> DeadInsts;
1154
1155   /// \brief A set to prevent repeatedly marking an instruction split into many
1156   /// uses as dead. Only used to guard insertion into DeadInsts.
1157   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadSplitInsts;
1158
1159   /// \brief A collection of alloca instructions we can directly promote.
1160   std::vector<AllocaInst *> PromotableAllocas;
1161
1162 public:
1163   SROA() : FunctionPass(ID), C(0), TD(0), DT(0) {
1164     initializeSROAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1165   }
1166   bool runOnFunction(Function &F);
1167   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
1168
1169   const char *getPassName() const { return "SROA"; }
1170   static char ID;
1171
1172 private:
1173   friend class AllocaPartitionRewriter;
1174   friend class AllocaPartitionVectorRewriter;
1175
1176   bool rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
1177                               AllocaPartitioning &P,
1178                               AllocaPartitioning::iterator PI);
1179   bool splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P);
1180   bool runOnAlloca(AllocaInst &AI);
1181   void deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> &DeletedAllocas);
1182 };
1183 }
1184
1185 char SROA::ID = 0;
1186
1187 FunctionPass *llvm::createSROAPass() {
1188   return new SROA();
1189 }
1190
1191 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1192                       false, false)
1193 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
1194 INITIALIZE_PASS_END(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1195                     false, false)
1196
1197 /// \brief Accumulate the constant offsets in a GEP into a single APInt offset.
1198 ///
1199 /// If the provided GEP is all-constant, the total byte offset formed by the
1200 /// GEP is computed and Offset is set to it. If the GEP has any non-constant
1201 /// operands, the function returns false and the value of Offset is unmodified.
1202 static bool accumulateGEPOffsets(const TargetData &TD, GEPOperator &GEP,
1203                                  APInt &Offset) {
1204   APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1205   for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP), GTE = gep_type_end(GEP);
1206        GTI != GTE; ++GTI) {
1207     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
1208     if (!OpC)
1209       return false;
1210     if (OpC->isZero()) continue;
1211
1212     // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
1213     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
1214       unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
1215       const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1216       GEPOffset += APInt(Offset.getBitWidth(),
1217                          SL->getElementOffset(ElementIdx));
1218       continue;
1219     }
1220
1221     APInt TypeSize(Offset.getBitWidth(),
1222                    TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
1223     if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(*GTI)) {
1224       assert((VTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1225              "vector element size is not a multiple of 8, cannot GEP over it");
1226       TypeSize = VTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1227     }
1228
1229     GEPOffset += OpC->getValue().sextOrTrunc(Offset.getBitWidth()) * TypeSize;
1230   }
1231   Offset = GEPOffset;
1232   return true;
1233 }
1234
1235 /// \brief Build a GEP out of a base pointer and indices.
1236 ///
1237 /// This will return the BasePtr if that is valid, or build a new GEP
1238 /// instruction using the IRBuilder if GEP-ing is needed.
1239 static Value *buildGEP(IRBuilder<> &IRB, Value *BasePtr,
1240                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1241                        const Twine &Prefix) {
1242   if (Indices.empty())
1243     return BasePtr;
1244
1245   // A single zero index is a no-op, so check for this and avoid building a GEP
1246   // in that case.
1247   if (Indices.size() == 1 && cast<ConstantInt>(Indices.back())->isZero())
1248     return BasePtr;
1249
1250   return IRB.CreateInBoundsGEP(BasePtr, Indices, Prefix + ".idx");
1251 }
1252
1253 /// \brief Get a natural GEP off of the BasePtr walking through Ty toward
1254 /// TargetTy without changing the offset of the pointer.
1255 ///
1256 /// This routine assumes we've already established a properly offset GEP with
1257 /// Indices, and arrived at the Ty type. The goal is to continue to GEP with
1258 /// zero-indices down through type layers until we find one the same as
1259 /// TargetTy. If we can't find one with the same type, we at least try to use
1260 /// one with the same size. If none of that works, we just produce the GEP as
1261 /// indicated by Indices to have the correct offset.
1262 static Value *getNaturalGEPWithType(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1263                                     Value *BasePtr, Type *Ty, Type *TargetTy,
1264                                     SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1265                                     const Twine &Prefix) {
1266   if (Ty == TargetTy)
1267     return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1268
1269   // See if we can descend into a struct and locate a field with the correct
1270   // type.
1271   unsigned NumLayers = 0;
1272   Type *ElementTy = Ty;
1273   do {
1274     if (ElementTy->isPointerTy())
1275       break;
1276     if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(ElementTy)) {
1277       ElementTy = SeqTy->getElementType();
1278       Indices.push_back(IRB.getInt(APInt(TD.getPointerSizeInBits(), 0)));
1279     } else if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElementTy)) {
1280       ElementTy = *STy->element_begin();
1281       Indices.push_back(IRB.getInt32(0));
1282     } else {
1283       break;
1284     }
1285     ++NumLayers;
1286   } while (ElementTy != TargetTy);
1287   if (ElementTy != TargetTy)
1288     Indices.erase(Indices.end() - NumLayers, Indices.end());
1289
1290   return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1291 }
1292
1293 /// \brief Recursively compute indices for a natural GEP.
1294 ///
1295 /// This is the recursive step for getNaturalGEPWithOffset that walks down the
1296 /// element types adding appropriate indices for the GEP.
1297 static Value *getNaturalGEPRecursively(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1298                                        Value *Ptr, Type *Ty, APInt &Offset,
1299                                        Type *TargetTy,
1300                                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1301                                        const Twine &Prefix) {
1302   if (Offset == 0)
1303     return getNaturalGEPWithType(IRB, TD, Ptr, Ty, TargetTy, Indices, Prefix);
1304
1305   // We can't recurse through pointer types.
1306   if (Ty->isPointerTy())
1307     return 0;
1308
1309   // We try to analyze GEPs over vectors here, but note that these GEPs are
1310   // extremely poorly defined currently. The long-term goal is to remove GEPing
1311   // over a vector from the IR completely.
1312   if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
1313     unsigned ElementSizeInBits = VecTy->getScalarSizeInBits();
1314     if (ElementSizeInBits % 8)
1315       return 0; // GEPs over non-multiple of 8 size vector elements are invalid.
1316     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), ElementSizeInBits / 8);
1317     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1318     if (NumSkippedElements.ugt(VecTy->getNumElements()))
1319       return 0;
1320     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1321     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1322     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, VecTy->getElementType(),
1323                                     Offset, TargetTy, Indices, Prefix);
1324   }
1325
1326   if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
1327     Type *ElementTy = ArrTy->getElementType();
1328     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1329     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1330     if (NumSkippedElements.ugt(ArrTy->getNumElements()))
1331       return 0;
1332
1333     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1334     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1335     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1336                                     Indices, Prefix);
1337   }
1338
1339   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
1340   if (!STy)
1341     return 0;
1342
1343   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1344   uint64_t StructOffset = Offset.getZExtValue();
1345   if (StructOffset >= SL->getSizeInBytes())
1346     return 0;
1347   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(StructOffset);
1348   Offset -= APInt(Offset.getBitWidth(), SL->getElementOffset(Index));
1349   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
1350   if (Offset.uge(TD.getTypeAllocSize(ElementTy)))
1351     return 0; // The offset points into alignment padding.
1352
1353   Indices.push_back(IRB.getInt32(Index));
1354   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1355                                   Indices, Prefix);
1356 }
1357
1358 /// \brief Get a natural GEP from a base pointer to a particular offset and
1359 /// resulting in a particular type.
1360 ///
1361 /// The goal is to produce a "natural" looking GEP that works with the existing
1362 /// composite types to arrive at the appropriate offset and element type for
1363 /// a pointer. TargetTy is the element type the returned GEP should point-to if
1364 /// possible. We recurse by decreasing Offset, adding the appropriate index to
1365 /// Indices, and setting Ty to the result subtype.
1366 ///
1367 /// If no natural GEP can be constructed, this function returns null.
1368 static Value *getNaturalGEPWithOffset(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1369                                       Value *Ptr, APInt Offset, Type *TargetTy,
1370                                       SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1371                                       const Twine &Prefix) {
1372   PointerType *Ty = cast<PointerType>(Ptr->getType());
1373
1374   // Don't consider any GEPs through an i8* as natural unless the TargetTy is
1375   // an i8.
1376   if (Ty == IRB.getInt8PtrTy() && TargetTy->isIntegerTy(8))
1377     return 0;
1378
1379   Type *ElementTy = Ty->getElementType();
1380   APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1381   if (ElementSize == 0)
1382     return 0; // Zero-length arrays can't help us build a natural GEP.
1383   APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1384
1385   Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1386   Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1387   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1388                                   Indices, Prefix);
1389 }
1390
1391 /// \brief Compute an adjusted pointer from Ptr by Offset bytes where the
1392 /// resulting pointer has PointerTy.
1393 ///
1394 /// This tries very hard to compute a "natural" GEP which arrives at the offset
1395 /// and produces the pointer type desired. Where it cannot, it will try to use
1396 /// the natural GEP to arrive at the offset and bitcast to the type. Where that
1397 /// fails, it will try to use an existing i8* and GEP to the byte offset and
1398 /// bitcast to the type.
1399 ///
1400 /// The strategy for finding the more natural GEPs is to peel off layers of the
1401 /// pointer, walking back through bit casts and GEPs, searching for a base
1402 /// pointer from which we can compute a natural GEP with the desired
1403 /// properities. The algorithm tries to fold as many constant indices into
1404 /// a single GEP as possible, thus making each GEP more independent of the
1405 /// surrounding code.
1406 static Value *getAdjustedPtr(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1407                              Value *Ptr, APInt Offset, Type *PointerTy,
1408                              const Twine &Prefix) {
1409   // Even though we don't look through PHI nodes, we could be called on an
1410   // instruction in an unreachable block, which may be on a cycle.
1411   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
1412   Visited.insert(Ptr);
1413   SmallVector<Value *, 4> Indices;
1414
1415   // We may end up computing an offset pointer that has the wrong type. If we
1416   // never are able to compute one directly that has the correct type, we'll
1417   // fall back to it, so keep it around here.
1418   Value *OffsetPtr = 0;
1419
1420   // Remember any i8 pointer we come across to re-use if we need to do a raw
1421   // byte offset.
1422   Value *Int8Ptr = 0;
1423   APInt Int8PtrOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1424
1425   Type *TargetTy = PointerTy->getPointerElementType();
1426
1427   do {
1428     // First fold any existing GEPs into the offset.
1429     while (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr)) {
1430       APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1431       if (!accumulateGEPOffsets(TD, *GEP, GEPOffset))
1432         break;
1433       Offset += GEPOffset;
1434       Ptr = GEP->getPointerOperand();
1435       if (!Visited.insert(Ptr))
1436         break;
1437     }
1438
1439     // See if we can perform a natural GEP here.
1440     Indices.clear();
1441     if (Value *P = getNaturalGEPWithOffset(IRB, TD, Ptr, Offset, TargetTy,
1442                                            Indices, Prefix)) {
1443       if (P->getType() == PointerTy) {
1444         // Zap any offset pointer that we ended up computing in previous rounds.
1445         if (OffsetPtr && OffsetPtr->use_empty())
1446           if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OffsetPtr))
1447             I->eraseFromParent();
1448         return P;
1449       }
1450       if (!OffsetPtr) {
1451         OffsetPtr = P;
1452       }
1453     }
1454
1455     // Stash this pointer if we've found an i8*.
1456     if (Ptr->getType()->isIntegerTy(8)) {
1457       Int8Ptr = Ptr;
1458       Int8PtrOffset = Offset;
1459     }
1460
1461     // Peel off a layer of the pointer and update the offset appropriately.
1462     if (Operator::getOpcode(Ptr) == Instruction::BitCast) {
1463       Ptr = cast<Operator>(Ptr)->getOperand(0);
1464     } else if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(Ptr)) {
1465       if (GA->mayBeOverridden())
1466         break;
1467       Ptr = GA->getAliasee();
1468     } else {
1469       break;
1470     }
1471     assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected operand type!");
1472   } while (Visited.insert(Ptr));
1473
1474   if (!OffsetPtr) {
1475     if (!Int8Ptr) {
1476       Int8Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, IRB.getInt8PtrTy(),
1477                                   Prefix + ".raw_cast");
1478       Int8PtrOffset = Offset;
1479     }
1480
1481     OffsetPtr = Int8PtrOffset == 0 ? Int8Ptr :
1482       IRB.CreateInBoundsGEP(Int8Ptr, IRB.getInt(Int8PtrOffset),
1483                             Prefix + ".raw_idx");
1484   }
1485   Ptr = OffsetPtr;
1486
1487   // On the off chance we were targeting i8*, guard the bitcast here.
1488   if (Ptr->getType() != PointerTy)
1489     Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, PointerTy, Prefix + ".cast");
1490
1491   return Ptr;
1492 }
1493
1494 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to a vector.
1495 ///
1496 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1497 /// partition (and its newly formed alloca) into a vector alloca with only
1498 /// whole-vector loads and stores such that it could be promoted to a vector
1499 /// SSA value. We only can ensure this for a limited set of operations, and we
1500 /// don't want to do the rewrites unless we are confident that the result will
1501 /// be promotable, so we have an early test here.
1502 static bool isVectorPromotionViable(const TargetData &TD,
1503                                     Type *AllocaTy,
1504                                     AllocaPartitioning &P,
1505                                     uint64_t PartitionBeginOffset,
1506                                     uint64_t PartitionEndOffset,
1507                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1508                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1509   VectorType *Ty = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy);
1510   if (!Ty)
1511     return false;
1512
1513   uint64_t VecSize = TD.getTypeSizeInBits(Ty);
1514   uint64_t ElementSize = Ty->getScalarSizeInBits();
1515
1516   // While the definition of LLVM vectors is bitpacked, we don't support sizes
1517   // that aren't byte sized.
1518   if (ElementSize % 8)
1519     return false;
1520   assert((VecSize % 8) == 0 && "vector size not a multiple of element size?");
1521   VecSize /= 8;
1522   ElementSize /= 8;
1523
1524   for (; I != E; ++I) {
1525     uint64_t BeginOffset = I->BeginOffset - PartitionBeginOffset;
1526     uint64_t BeginIndex = BeginOffset / ElementSize;
1527     if (BeginIndex * ElementSize != BeginOffset ||
1528         BeginIndex >= Ty->getNumElements())
1529       return false;
1530     uint64_t EndOffset = I->EndOffset - PartitionBeginOffset;
1531     uint64_t EndIndex = EndOffset / ElementSize;
1532     if (EndIndex * ElementSize != EndOffset ||
1533         EndIndex > Ty->getNumElements())
1534       return false;
1535
1536     // FIXME: We should build shuffle vector instructions to handle
1537     // non-element-sized accesses.
1538     if ((EndOffset - BeginOffset) != ElementSize &&
1539         (EndOffset - BeginOffset) != VecSize)
1540       return false;
1541
1542     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1543       if (MI->isVolatile())
1544         return false;
1545       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1546         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1547           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1548         if (!MTO.IsSplittable)
1549           return false;
1550       }
1551     } else if (I->Ptr->getType()->getPointerElementType()->isStructTy()) {
1552       // Disable vector promotion when there are loads or stores of an FCA.
1553       return false;
1554     } else if (!isa<LoadInst>(*I->User) && !isa<StoreInst>(*I->User)) {
1555       return false;
1556     }
1557   }
1558   return true;
1559 }
1560
1561 namespace {
1562 /// \brief Visitor to rewrite instructions using a partition of an alloca to
1563 /// use a new alloca.
1564 ///
1565 /// Also implements the rewriting to vector-based accesses when the partition
1566 /// passes the isVectorPromotionViable predicate. Most of the rewriting logic
1567 /// lives here.
1568 class AllocaPartitionRewriter : public InstVisitor<AllocaPartitionRewriter,
1569                                                    bool> {
1570   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
1571   friend class llvm::InstVisitor<AllocaPartitionRewriter, bool>;
1572
1573   const TargetData &TD;
1574   AllocaPartitioning &P;
1575   SROA &Pass;
1576   AllocaInst &OldAI, &NewAI;
1577   const uint64_t NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset;
1578
1579   // If we are rewriting an alloca partition which can be written as pure
1580   // vector operations, we stash extra information here. When VecTy is
1581   // non-null, we have some strict guarantees about the rewriten alloca:
1582   //   - The new alloca is exactly the size of the vector type here.
1583   //   - The accesses all either map to the entire vector or to a single
1584   //     element.
1585   //   - The set of accessing instructions is only one of those handled above
1586   //     in isVectorPromotionViable. Generally these are the same access kinds
1587   //     which are promotable via mem2reg.
1588   VectorType *VecTy;
1589   Type *ElementTy;
1590   uint64_t ElementSize;
1591
1592   // The offset of the partition user currently being rewritten.
1593   uint64_t BeginOffset, EndOffset;
1594   Instruction *OldPtr;
1595
1596   // The name prefix to use when rewriting instructions for this alloca.
1597   std::string NamePrefix;
1598
1599 public:
1600   AllocaPartitionRewriter(const TargetData &TD, AllocaPartitioning &P,
1601                           AllocaPartitioning::iterator PI,
1602                           SROA &Pass, AllocaInst &OldAI, AllocaInst &NewAI,
1603                           uint64_t NewBeginOffset, uint64_t NewEndOffset)
1604     : TD(TD), P(P), Pass(Pass),
1605       OldAI(OldAI), NewAI(NewAI),
1606       NewAllocaBeginOffset(NewBeginOffset),
1607       NewAllocaEndOffset(NewEndOffset),
1608       VecTy(), ElementTy(), ElementSize(),
1609       BeginOffset(), EndOffset() {
1610   }
1611
1612   /// \brief Visit the users of the alloca partition and rewrite them.
1613   bool visitUsers(AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1614                   AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1615     if (isVectorPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(), P,
1616                                 NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset,
1617                                 I, E)) {
1618       ++NumVectorized;
1619       VecTy = cast<VectorType>(NewAI.getAllocatedType());
1620       ElementTy = VecTy->getElementType();
1621       assert((VecTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1622              "Only multiple-of-8 sized vector elements are viable");
1623       ElementSize = VecTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1624     }
1625     bool CanSROA = true;
1626     for (; I != E; ++I) {
1627       BeginOffset = I->BeginOffset;
1628       EndOffset = I->EndOffset;
1629       OldPtr = I->Ptr;
1630       NamePrefix = (Twine(NewAI.getName()) + "." + Twine(BeginOffset)).str();
1631       CanSROA &= visit(I->User);
1632     }
1633     if (VecTy) {
1634       assert(CanSROA);
1635       VecTy = 0;
1636       ElementTy = 0;
1637       ElementSize = 0;
1638     }
1639     return CanSROA;
1640   }
1641
1642 private:
1643   // Every instruction which can end up as a user must have a rewrite rule.
1644   bool visitInstruction(Instruction &I) {
1645     DEBUG(dbgs() << "    !!!! Cannot rewrite: " << I << "\n");
1646     llvm_unreachable("No rewrite rule for this instruction!");
1647   }
1648
1649   Twine getName(const Twine &Suffix) {
1650     return NamePrefix + Suffix;
1651   }
1652
1653   Value *getAdjustedAllocaPtr(IRBuilder<> &IRB, Type *PointerTy) {
1654     assert(BeginOffset >= NewAllocaBeginOffset);
1655     APInt Offset(TD.getPointerSizeInBits(), BeginOffset - NewAllocaBeginOffset);
1656     return getAdjustedPtr(IRB, TD, &NewAI, Offset, PointerTy, getName(""));
1657   }
1658
1659   ConstantInt *getIndex(IRBuilder<> &IRB, uint64_t Offset) {
1660     assert(VecTy && "Can only call getIndex when rewriting a vector");
1661     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1662     assert(RelOffset / ElementSize < UINT32_MAX && "Index out of bounds");
1663     uint32_t Index = RelOffset / ElementSize;
1664     assert(Index * ElementSize == RelOffset);
1665     return IRB.getInt32(Index);
1666   }
1667
1668   void deleteIfTriviallyDead(Value *V) {
1669     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1670     if (isInstructionTriviallyDead(I))
1671       Pass.DeadInsts.push_back(I);
1672   }
1673
1674   Value *getValueCast(IRBuilder<> &IRB, Value *V, Type *Ty) {
1675     if (V->getType()->isIntegerTy() && Ty->isPointerTy())
1676       return IRB.CreateIntToPtr(V, Ty);
1677     if (V->getType()->isPointerTy() && Ty->isIntegerTy())
1678       return IRB.CreatePtrToInt(V, Ty);
1679
1680     return IRB.CreateBitCast(V, Ty);
1681   }
1682
1683   bool rewriteVectorizedLoadInst(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI, Value *OldOp) {
1684     Value *Result;
1685     if (LI.getType() == VecTy->getElementType() ||
1686         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1687       Result
1688         = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1689                                    getIndex(IRB, BeginOffset),
1690                                    getName(".extract"));
1691     } else {
1692       Result = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1693     }
1694     if (Result->getType() != LI.getType())
1695       Result = getValueCast(IRB, Result, LI.getType());
1696     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1697     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1698
1699     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1700     return true;
1701   }
1702
1703   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1704     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
1705     Value *OldOp = LI.getOperand(0);
1706     assert(OldOp == OldPtr);
1707     IRBuilder<> IRB(&LI);
1708
1709     if (VecTy)
1710       return rewriteVectorizedLoadInst(IRB, LI, OldOp);
1711
1712     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1713                                          LI.getPointerOperand()->getType());
1714     LI.setOperand(0, NewPtr);
1715     DEBUG(dbgs() << "          to: " << LI << "\n");
1716
1717     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1718     return NewPtr == &NewAI && !LI.isVolatile();
1719   }
1720
1721   bool rewriteVectorizedStoreInst(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI,
1722                                   Value *OldOp) {
1723     Value *V = SI.getValueOperand();
1724     if (V->getType() == ElementTy ||
1725         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1726       if (V->getType() != ElementTy)
1727         V = getValueCast(IRB, V, ElementTy);
1728       V = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1729                                   getIndex(IRB, BeginOffset),
1730                                   getName(".insert"));
1731     } else if (V->getType() != VecTy) {
1732       V = getValueCast(IRB, V, VecTy);
1733     }
1734     StoreInst *Store = IRB.CreateStore(V, &NewAI);
1735     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
1736
1737     (void)Store;
1738     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1739     return true;
1740   }
1741
1742   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
1743     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
1744     Value *OldOp = SI.getOperand(1);
1745     assert(OldOp == OldPtr);
1746     IRBuilder<> IRB(&SI);
1747
1748     if (VecTy)
1749       return rewriteVectorizedStoreInst(IRB, SI, OldOp);
1750
1751     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1752                                          SI.getPointerOperand()->getType());
1753     SI.setOperand(1, NewPtr);
1754     DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
1755
1756     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1757     return NewPtr == &NewAI && !SI.isVolatile();
1758   }
1759
1760   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
1761     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1762     IRBuilder<> IRB(&II);
1763     assert(II.getRawDest() == OldPtr);
1764
1765     // If the memset has a variable size, it cannot be split, just adjust the
1766     // pointer to the new alloca.
1767     if (!isa<Constant>(II.getLength())) {
1768       II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1769       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
1770       return false;
1771     }
1772
1773     // Record this instruction for deletion.
1774     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1775       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1776
1777     Type *AllocaTy = NewAI.getAllocatedType();
1778     Type *ScalarTy = AllocaTy->getScalarType();
1779
1780     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1781     // a single value type, just emit a memset.
1782     if (!VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1783                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1784                    !AllocaTy->isSingleValueType() ||
1785                    !TD.isLegalInteger(TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy)))) {
1786       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1787       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1788
1789       CallInst *New
1790         = IRB.CreateMemSet(getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1791                                                 II.getRawDest()->getType()),
1792                            II.getValue(), Size, II.getAlignment(),
1793                            II.isVolatile());
1794       (void)New;
1795       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1796       return false;
1797     }
1798
1799     // If we can represent this as a simple value, we have to build the actual
1800     // value to store, which requires expanding the byte present in memset to
1801     // a sensible representation for the alloca type. This is essentially
1802     // splatting the byte to a sufficiently wide integer, bitcasting to the
1803     // desired scalar type, and splatting it across any desired vector type.
1804     Value *V = II.getValue();
1805     IntegerType *VTy = cast<IntegerType>(V->getType());
1806     Type *IntTy = Type::getIntNTy(VTy->getContext(),
1807                                   TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy));
1808     if (TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy) > VTy->getBitWidth())
1809       V = IRB.CreateMul(IRB.CreateZExt(V, IntTy, getName(".zext")),
1810                         ConstantExpr::getUDiv(
1811                           Constant::getAllOnesValue(IntTy),
1812                           ConstantExpr::getZExt(
1813                             Constant::getAllOnesValue(V->getType()),
1814                             IntTy)),
1815                         getName(".isplat"));
1816     if (V->getType() != ScalarTy) {
1817       if (ScalarTy->isPointerTy())
1818         V = IRB.CreateIntToPtr(V, ScalarTy);
1819       else if (ScalarTy->isPrimitiveType() || ScalarTy->isVectorTy())
1820         V = IRB.CreateBitCast(V, ScalarTy);
1821       else if (ScalarTy->isIntegerTy())
1822         llvm_unreachable("Computed different integer types with equal widths");
1823       else
1824         llvm_unreachable("Invalid scalar type");
1825     }
1826
1827     // If this is an element-wide memset of a vectorizable alloca, insert it.
1828     if (VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1829                   EndOffset < NewAllocaEndOffset)) {
1830       StoreInst *Store = IRB.CreateStore(
1831         IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1832                                 getIndex(IRB, BeginOffset),
1833                                 getName(".insert")),
1834         &NewAI);
1835       (void)Store;
1836       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1837       return true;
1838     }
1839
1840     // Splat to a vector if needed.
1841     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy)) {
1842       VectorType *SplatSourceTy = VectorType::get(V->getType(), 1);
1843       V = IRB.CreateShuffleVector(
1844         IRB.CreateInsertElement(UndefValue::get(SplatSourceTy), V,
1845                                 IRB.getInt32(0), getName(".vsplat.insert")),
1846         UndefValue::get(SplatSourceTy),
1847         ConstantVector::getSplat(VecTy->getNumElements(), IRB.getInt32(0)),
1848         getName(".vsplat.shuffle"));
1849       assert(V->getType() == VecTy);
1850     }
1851
1852     Value *New = IRB.CreateStore(V, &NewAI, II.isVolatile());
1853     (void)New;
1854     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1855     return !II.isVolatile();
1856   }
1857
1858   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
1859     // Rewriting of memory transfer instructions can be a bit tricky. We break
1860     // them into two categories: split intrinsics and unsplit intrinsics.
1861
1862     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1863     IRBuilder<> IRB(&II);
1864
1865     assert(II.getRawSource() == OldPtr || II.getRawDest() == OldPtr);
1866     bool IsDest = II.getRawDest() == OldPtr;
1867
1868     const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1869       = P.getMemTransferOffsets(II);
1870
1871     // For unsplit intrinsics, we simply modify the source and destination
1872     // pointers in place. This isn't just an optimization, it is a matter of
1873     // correctness. With unsplit intrinsics we may be dealing with transfers
1874     // within a single alloca before SROA ran, or with transfers that have
1875     // a variable length. We may also be dealing with memmove instead of
1876     // memcpy, and so simply updating the pointers is the necessary for us to
1877     // update both source and dest of a single call.
1878     if (!MTO.IsSplittable) {
1879       Value *OldOp = IsDest ? II.getRawDest() : II.getRawSource();
1880       if (IsDest)
1881         II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
1882       else
1883         II.setSource(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawSource()->getType()));
1884
1885       DEBUG(dbgs() << "          to: " << II << "\n");
1886       deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1887       return false;
1888     }
1889     // For split transfer intrinsics we have an incredibly useful assurance:
1890     // the source and destination do not reside within the same alloca, and at
1891     // least one of them does not escape. This means that we can replace
1892     // memmove with memcpy, and we don't need to worry about all manner of
1893     // downsides to splitting and transforming the operations.
1894
1895     // Compute the relative offset within the transfer.
1896     unsigned IntPtrWidth = TD.getPointerSizeInBits();
1897     APInt RelOffset(IntPtrWidth, BeginOffset - (IsDest ? MTO.DestBegin
1898                                                        : MTO.SourceBegin));
1899
1900     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
1901     // a single value type, just emit a memcpy.
1902     bool EmitMemCpy
1903       = !VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
1904                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
1905                    !NewAI.getAllocatedType()->isSingleValueType());
1906
1907     // If we're just going to emit a memcpy, the alloca hasn't changed, and the
1908     // size hasn't been shrunk based on analysis of the viable range, this is
1909     // a no-op.
1910     if (EmitMemCpy && &OldAI == &NewAI) {
1911       uint64_t OrigBegin = IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin;
1912       uint64_t OrigEnd = IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd;
1913       // Ensure the start lines up.
1914       assert(BeginOffset == OrigBegin);
1915       (void)OrigBegin;
1916
1917       // Rewrite the size as needed.
1918       if (EndOffset != OrigEnd)
1919         II.setLength(ConstantInt::get(II.getLength()->getType(),
1920                                       EndOffset - BeginOffset));
1921       return false;
1922     }
1923     // Record this instruction for deletion.
1924     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
1925       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
1926
1927     bool IsVectorElement = VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
1928                                      EndOffset < NewAllocaEndOffset);
1929
1930     Type *OtherPtrTy = IsDest ? II.getRawSource()->getType()
1931                               : II.getRawDest()->getType();
1932     if (!EmitMemCpy)
1933       OtherPtrTy = IsVectorElement ? VecTy->getElementType()->getPointerTo()
1934                                    : NewAI.getType();
1935
1936     // Compute the other pointer, folding as much as possible to produce
1937     // a single, simple GEP in most cases.
1938     Value *OtherPtr = IsDest ? II.getRawSource() : II.getRawDest();
1939     OtherPtr = getAdjustedPtr(IRB, TD, OtherPtr, RelOffset, OtherPtrTy,
1940                               getName("." + OtherPtr->getName()));
1941
1942     // Strip all inbounds GEPs and pointer casts to try to dig out any root
1943     // alloca that should be re-examined after rewriting this instruction.
1944     if (AllocaInst *AI
1945           = dyn_cast<AllocaInst>(OtherPtr->stripInBoundsOffsets()))
1946       Pass.Worklist.insert(AI);
1947
1948     if (EmitMemCpy) {
1949       Value *OurPtr
1950         = getAdjustedAllocaPtr(IRB, IsDest ? II.getRawDest()->getType()
1951                                            : II.getRawSource()->getType());
1952       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
1953       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
1954
1955       CallInst *New = IRB.CreateMemCpy(IsDest ? OurPtr : OtherPtr,
1956                                        IsDest ? OtherPtr : OurPtr,
1957                                        Size, II.getAlignment(),
1958                                        II.isVolatile());
1959       (void)New;
1960       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
1961       return false;
1962     }
1963
1964     Value *SrcPtr = OtherPtr;
1965     Value *DstPtr = &NewAI;
1966     if (!IsDest)
1967       std::swap(SrcPtr, DstPtr);
1968
1969     Value *Src;
1970     if (IsVectorElement && !IsDest) {
1971       // We have to extract rather than load.
1972       Src = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(SrcPtr,
1973                                                     getName(".copyload")),
1974                                      getIndex(IRB, BeginOffset),
1975                                      getName(".copyextract"));
1976     } else {
1977       Src = IRB.CreateLoad(SrcPtr, II.isVolatile(), getName(".copyload"));
1978     }
1979
1980     if (IsVectorElement && IsDest) {
1981       // We have to insert into a loaded copy before storing.
1982       Src = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1983                                     Src, getIndex(IRB, BeginOffset),
1984                                     getName(".insert"));
1985     }
1986
1987     Value *Store = IRB.CreateStore(Src, DstPtr, II.isVolatile());
1988     (void)Store;
1989     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
1990     return !II.isVolatile();
1991   }
1992
1993   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
1994     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
1995            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
1996     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
1997     IRBuilder<> IRB(&II);
1998     assert(II.getArgOperand(1) == OldPtr);
1999
2000     // Record this instruction for deletion.
2001     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2002       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2003
2004     ConstantInt *Size
2005       = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(II.getArgOperand(0)->getType()),
2006                          EndOffset - BeginOffset);
2007     Value *Ptr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getArgOperand(1)->getType());
2008     Value *New;
2009     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2010       New = IRB.CreateLifetimeStart(Ptr, Size);
2011     else
2012       New = IRB.CreateLifetimeEnd(Ptr, Size);
2013
2014     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2015     return true;
2016   }
2017
2018   /// PHI instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2019   /// rewritten to load both input pointers in the pred blocks and then PHI the
2020   /// results, allowing the load of the alloca to be promoted.
2021   /// From this:
2022   ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
2023   ///   %V = load i32* %P2
2024   /// to:
2025   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2026   ///   ...
2027   ///   %V2 = load i32* %Other
2028   ///   ...
2029   ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
2030   ///
2031   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2032   /// to the select can be loaded unconditionally.
2033   ///
2034   /// FIXME: This should be hoisted into a generic utility, likely in
2035   /// Transforms/Util/Local.h
2036   bool isSafePHIToSpeculate(PHINode &PN, SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2037     // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block
2038     // as the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
2039     // TODO: Allow recursive phi users.
2040     // TODO: Allow stores.
2041     BasicBlock *BB = PN.getParent();
2042     unsigned MaxAlign = 0;
2043     for (Value::use_iterator UI = PN.use_begin(), UE = PN.use_end();
2044          UI != UE; ++UI) {
2045       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2046       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2047
2048       // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is
2049       // a common case that happens when instcombine merges two loads through
2050       // a PHI.
2051       if (LI->getParent() != BB) return false;
2052
2053       // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
2054       // could store.
2055       for (BasicBlock::iterator BBI = &PN; &*BBI != LI; ++BBI)
2056         if (BBI->mayWriteToMemory())
2057           return false;
2058
2059       MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
2060       Loads.push_back(LI);
2061     }
2062
2063     // We can only transform this if it is safe to push the loads into the
2064     // predecessor blocks. The only thing to watch out for is that we can't put
2065     // a possibly trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
2066     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num;
2067          ++Idx) {
2068       TerminatorInst *TI = PN.getIncomingBlock(Idx)->getTerminator();
2069       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2070
2071       // If the value is produced by the terminator of the predecessor (an
2072       // invoke) or it has side-effects, there is no valid place to put a load
2073       // in the predecessor.
2074       if (TI == InVal || TI->mayHaveSideEffects())
2075         return false;
2076
2077       // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't
2078       // critical.
2079       if (TI->getNumSuccessors() == 1)
2080         continue;
2081
2082       // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there
2083       // is already a load in the block, then we can move the load to the pred
2084       // block.
2085       if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
2086           isSafeToLoadUnconditionally(InVal, TI, MaxAlign, &TD))
2087         continue;
2088
2089       return false;
2090     }
2091
2092     return true;
2093   }
2094
2095   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2096     DEBUG(dbgs() << "    original: " << PN << "\n");
2097     // We would like to compute a new pointer in only one place, but have it be
2098     // as local as possible to the PHI. To do that, we re-use the location of
2099     // the old pointer, which necessarily must be in the right position to
2100     // dominate the PHI.
2101     IRBuilder<> PtrBuilder(cast<Instruction>(OldPtr));
2102
2103     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2104     if (!isSafePHIToSpeculate(PN, Loads)) {
2105       Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2106       // Replace the operands which were using the old pointer.
2107       User::op_iterator OI = PN.op_begin(), OE = PN.op_end();
2108       for (; OI != OE; ++OI)
2109         if (*OI == OldPtr)
2110           *OI = NewPtr;
2111
2112       DEBUG(dbgs() << "          to: " << PN << "\n");
2113       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2114       return false;
2115     }
2116     assert(!Loads.empty());
2117
2118     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN.getType())->getElementType();
2119     IRBuilder<> PHIBuilder(&PN);
2120     PHINode *NewPN = PHIBuilder.CreatePHI(LoadTy, PN.getNumIncomingValues());
2121     NewPN->takeName(&PN);
2122
2123     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
2124     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
2125     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(Loads.back());
2126     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
2127     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
2128     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2129
2130     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
2131     do {
2132       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2133       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
2134       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2135     } while (!Loads.empty());
2136
2137     // Inject loads into all of the pred blocks.
2138     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num; ++Idx) {
2139       BasicBlock *Pred = PN.getIncomingBlock(Idx);
2140       TerminatorInst *TI = Pred->getTerminator();
2141       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2142       IRBuilder<> PredBuilder(TI);
2143
2144       // Map the value to the new alloca pointer if this was the old alloca
2145       // pointer.
2146       bool ThisOperand = InVal == OldPtr;
2147       if (ThisOperand)
2148         InVal = NewPtr;
2149
2150       LoadInst *Load
2151         = PredBuilder.CreateLoad(InVal, getName(".sroa.speculate." +
2152                                                 Pred->getName()));
2153       ++NumLoadsSpeculated;
2154       Load->setAlignment(Align);
2155       if (TBAATag)
2156         Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
2157       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
2158
2159       if (ThisOperand)
2160         continue;
2161       Instruction *OtherPtr = dyn_cast<Instruction>(InVal);
2162       if (!OtherPtr)
2163         // No uses to rewrite.
2164         continue;
2165
2166       // Try to lookup and rewrite any partition uses corresponding to this phi
2167       // input.
2168       AllocaPartitioning::iterator PI
2169         = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2170       if (PI != P.end()) {
2171         // If the other pointer is within the partitioning, replace the PHI in
2172         // its uses with the load we just speculated, or add another load for
2173         // it to rewrite if we've already replaced the PHI.
2174         AllocaPartitioning::use_iterator UI
2175           = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2176         if (isa<PHINode>(*UI->User))
2177           UI->User = Load;
2178         else {
2179           AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse = *UI;
2180           OtherUse.User = Load;
2181           P.use_insert(PI, std::upper_bound(UI, P.use_end(PI), OtherUse),
2182                        OtherUse);
2183         }
2184       }
2185     }
2186     DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *NewPN << "\n");
2187     return NewPtr == &NewAI;
2188   }
2189
2190   /// Select instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2191   /// rewritten to load both input pointers and then select between the result,
2192   /// allowing the load of the alloca to be promoted.
2193   /// From this:
2194   ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
2195   ///   %V = load i32* %P2
2196   /// to:
2197   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2198   ///   %V2 = load i32* %Other
2199   ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
2200   ///
2201   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2202   /// to the select can be loaded unconditionally.
2203   bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst &SI,
2204                                SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2205     Value *TValue = SI.getTrueValue();
2206     Value *FValue = SI.getFalseValue();
2207     bool TDerefable = TValue->isDereferenceablePointer();
2208     bool FDerefable = FValue->isDereferenceablePointer();
2209
2210     for (Value::use_iterator UI = SI.use_begin(), UE = SI.use_end();
2211          UI != UE; ++UI) {
2212       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2213       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2214
2215       // Both operands to the select need to be dereferencable, either
2216       // absolutely (e.g. allocas) or at this point because we can see other
2217       // accesses to it.
2218       if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(TValue, LI,
2219                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2220         return false;
2221       if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(FValue, LI,
2222                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2223         return false;
2224       Loads.push_back(LI);
2225     }
2226
2227     return true;
2228   }
2229
2230   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2231     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2232     IRBuilder<> IRB(&SI);
2233
2234     // Find the operand we need to rewrite here.
2235     bool IsTrueVal = SI.getTrueValue() == OldPtr;
2236     if (IsTrueVal)
2237       assert(SI.getFalseValue() != OldPtr && "Pointer is both operands!");
2238     else
2239       assert(SI.getFalseValue() == OldPtr && "Pointer isn't an operand!");
2240     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, OldPtr->getType());
2241
2242     // If the select isn't safe to speculate, just use simple logic to emit it.
2243     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2244     if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, Loads)) {
2245       SI.setOperand(IsTrueVal ? 1 : 2, NewPtr);
2246       DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2247       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2248       return false;
2249     }
2250
2251     Value *OtherPtr = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : SI.getTrueValue();
2252     AllocaPartitioning::iterator PI
2253       = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2254     AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse;
2255     if (PI != P.end()) {
2256       // If the other pointer is within the partitioning, remove the select
2257       // from its uses. We'll add in the new loads below.
2258       AllocaPartitioning::use_iterator UI
2259         = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2260       OtherUse = *UI;
2261       P.use_erase(PI, UI);
2262     }
2263
2264     Value *TV = IsTrueVal ? NewPtr : SI.getTrueValue();
2265     Value *FV = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : NewPtr;
2266     // Replace the loads of the select with a select of two loads.
2267     while (!Loads.empty()) {
2268       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2269
2270       IRB.SetInsertPoint(LI);
2271       LoadInst *TL =
2272         IRB.CreateLoad(TV, getName("." + LI->getName() + ".true"));
2273       LoadInst *FL =
2274         IRB.CreateLoad(FV, getName("." + LI->getName() + ".false"));
2275       NumLoadsSpeculated += 2;
2276       if (PI != P.end()) {
2277         LoadInst *OtherLoad = IsTrueVal ? FL : TL;
2278         assert(OtherUse.Ptr == OtherLoad->getOperand(0));
2279         OtherUse.User = OtherLoad;
2280         P.use_insert(PI, P.use_end(PI), OtherUse);
2281       }
2282
2283       // Transfer alignment and TBAA info if present.
2284       TL->setAlignment(LI->getAlignment());
2285       FL->setAlignment(LI->getAlignment());
2286       if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2287         TL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2288         FL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2289       }
2290
2291       Value *V = IRB.CreateSelect(SI.getCondition(), TL, FL);
2292       V->takeName(LI);
2293       DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *V << "\n");
2294       LI->replaceAllUsesWith(V);
2295       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2296     }
2297     if (PI != P.end())
2298       std::stable_sort(P.use_begin(PI), P.use_end(PI));
2299
2300     deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2301     return NewPtr == &NewAI;
2302   }
2303
2304 };
2305 }
2306
2307 /// \brief Try to find a partition of the aggregate type passed in for a given
2308 /// offset and size.
2309 ///
2310 /// This recurses through the aggregate type and tries to compute a subtype
2311 /// based on the offset and size. When the offset and size span a sub-section
2312 /// of an array, it will even compute a new array type for that sub-section,
2313 /// and the same for structs.
2314 ///
2315 /// Note that this routine is very strict and tries to find a partition of the
2316 /// type which produces the *exact* right offset and size. It is not forgiving
2317 /// when the size or offset cause either end of type-based partition to be off.
2318 /// Also, this is a best-effort routine. It is reasonable to give up and not
2319 /// return a type if necessary.
2320 static Type *getTypePartition(const TargetData &TD, Type *Ty,
2321                               uint64_t Offset, uint64_t Size) {
2322   if (Offset == 0 && TD.getTypeAllocSize(Ty) == Size)
2323     return Ty;
2324
2325   if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
2326     // We can't partition pointers...
2327     if (SeqTy->isPointerTy())
2328       return 0;
2329
2330     Type *ElementTy = SeqTy->getElementType();
2331     uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2332     uint64_t NumSkippedElements = Offset / ElementSize;
2333     if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(SeqTy))
2334       if (NumSkippedElements >= ArrTy->getNumElements())
2335         return 0;
2336     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(SeqTy))
2337       if (NumSkippedElements >= VecTy->getNumElements())
2338         return 0;
2339     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
2340
2341     // First check if we need to recurse.
2342     if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2343       // Bail if the partition ends in a different array element.
2344       if ((Offset + Size) > ElementSize)
2345         return 0;
2346       // Recurse through the element type trying to peel off offset bytes.
2347       return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2348     }
2349     assert(Offset == 0);
2350
2351     if (Size == ElementSize)
2352       return ElementTy;
2353     assert(Size > ElementSize);
2354     uint64_t NumElements = Size / ElementSize;
2355     if (NumElements * ElementSize != Size)
2356       return 0;
2357     return ArrayType::get(ElementTy, NumElements);
2358   }
2359
2360   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
2361   if (!STy)
2362     return 0;
2363
2364   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2365   if (Offset >= SL->getSizeInBytes())
2366     return 0;
2367   uint64_t EndOffset = Offset + Size;
2368   if (EndOffset > SL->getSizeInBytes())
2369     return 0;
2370
2371   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(Offset);
2372   Offset -= SL->getElementOffset(Index);
2373
2374   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
2375   uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2376   if (Offset >= ElementSize)
2377     return 0; // The offset points into alignment padding.
2378
2379   // See if any partition must be contained by the element.
2380   if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2381     if ((Offset + Size) > ElementSize)
2382       return 0;
2383     return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2384   }
2385   assert(Offset == 0);
2386
2387   if (Size == ElementSize)
2388     return ElementTy;
2389
2390   StructType::element_iterator EI = STy->element_begin() + Index,
2391                                EE = STy->element_end();
2392   if (EndOffset < SL->getSizeInBytes()) {
2393     unsigned EndIndex = SL->getElementContainingOffset(EndOffset);
2394     if (Index == EndIndex)
2395       return 0; // Within a single element and its padding.
2396
2397     // Don't try to form "natural" types if the elements don't line up with the
2398     // expected size.
2399     // FIXME: We could potentially recurse down through the last element in the
2400     // sub-struct to find a natural end point.
2401     if (SL->getElementOffset(EndIndex) != EndOffset)
2402       return 0;
2403
2404     assert(Index < EndIndex);
2405     EE = STy->element_begin() + EndIndex;
2406   }
2407
2408   // Try to build up a sub-structure.
2409   SmallVector<Type *, 4> ElementTys;
2410   do {
2411     ElementTys.push_back(*EI++);
2412   } while (EI != EE);
2413   StructType *SubTy = StructType::get(STy->getContext(), ElementTys,
2414                                       STy->isPacked());
2415   const StructLayout *SubSL = TD.getStructLayout(SubTy);
2416   if (Size != SubSL->getSizeInBytes())
2417     return 0; // The sub-struct doesn't have quite the size needed.
2418
2419   return SubTy;
2420 }
2421
2422 /// \brief Rewrite an alloca partition's users.
2423 ///
2424 /// This routine drives both of the rewriting goals of the SROA pass. It tries
2425 /// to rewrite uses of an alloca partition to be conducive for SSA value
2426 /// promotion. If the partition needs a new, more refined alloca, this will
2427 /// build that new alloca, preserving as much type information as possible, and
2428 /// rewrite the uses of the old alloca to point at the new one and have the
2429 /// appropriate new offsets. It also evaluates how successful the rewrite was
2430 /// at enabling promotion and if it was successful queues the alloca to be
2431 /// promoted.
2432 bool SROA::rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
2433                                   AllocaPartitioning &P,
2434                                   AllocaPartitioning::iterator PI) {
2435   uint64_t AllocaSize = PI->EndOffset - PI->BeginOffset;
2436   if (P.use_begin(PI) == P.use_end(PI))
2437     return false; // No live uses left of this partition.
2438
2439   // Try to compute a friendly type for this partition of the alloca. This
2440   // won't always succeed, in which case we fall back to a legal integer type
2441   // or an i8 array of an appropriate size.
2442   Type *AllocaTy = 0;
2443   if (Type *PartitionTy = P.getCommonType(PI))
2444     if (TD->getTypeAllocSize(PartitionTy) >= AllocaSize)
2445       AllocaTy = PartitionTy;
2446   if (!AllocaTy)
2447     if (Type *PartitionTy = getTypePartition(*TD, AI.getAllocatedType(),
2448                                              PI->BeginOffset, AllocaSize))
2449       AllocaTy = PartitionTy;
2450   if ((!AllocaTy ||
2451        (AllocaTy->isArrayTy() &&
2452         AllocaTy->getArrayElementType()->isIntegerTy())) &&
2453       TD->isLegalInteger(AllocaSize * 8))
2454     AllocaTy = Type::getIntNTy(*C, AllocaSize * 8);
2455   if (!AllocaTy)
2456     AllocaTy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(*C), AllocaSize);
2457   assert(TD->getTypeAllocSize(AllocaTy) >= AllocaSize);
2458
2459   // Check for the case where we're going to rewrite to a new alloca of the
2460   // exact same type as the original, and with the same access offsets. In that
2461   // case, re-use the existing alloca, but still run through the rewriter to
2462   // performe phi and select speculation.
2463   AllocaInst *NewAI;
2464   if (AllocaTy == AI.getAllocatedType()) {
2465     assert(PI->BeginOffset == 0 &&
2466            "Non-zero begin offset but same alloca type");
2467     assert(PI == P.begin() && "Begin offset is zero on later partition");
2468     NewAI = &AI;
2469   } else {
2470     // FIXME: The alignment here is overly conservative -- we could in many
2471     // cases get away with much weaker alignment constraints.
2472     NewAI = new AllocaInst(AllocaTy, 0, AI.getAlignment(),
2473                            AI.getName() + ".sroa." + Twine(PI - P.begin()),
2474                            &AI);
2475     ++NumNewAllocas;
2476   }
2477
2478   DEBUG(dbgs() << "Rewriting alloca partition "
2479                << "[" << PI->BeginOffset << "," << PI->EndOffset << ") to: "
2480                << *NewAI << "\n");
2481
2482   AllocaPartitionRewriter Rewriter(*TD, P, PI, *this, AI, *NewAI,
2483                                    PI->BeginOffset, PI->EndOffset);
2484   DEBUG(dbgs() << "  rewriting ");
2485   DEBUG(P.print(dbgs(), PI, ""));
2486   if (Rewriter.visitUsers(P.use_begin(PI), P.use_end(PI))) {
2487     DEBUG(dbgs() << "  and queuing for promotion\n");
2488     PromotableAllocas.push_back(NewAI);
2489   } else if (NewAI != &AI) {
2490     // If we can't promote the alloca, iterate on it to check for new
2491     // refinements exposed by splitting the current alloca. Don't iterate on an
2492     // alloca which didn't actually change and didn't get promoted.
2493     Worklist.insert(NewAI);
2494   }
2495   return true;
2496 }
2497
2498 /// \brief Walks the partitioning of an alloca rewriting uses of each partition.
2499 bool SROA::splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P) {
2500   bool Changed = false;
2501   for (AllocaPartitioning::iterator PI = P.begin(), PE = P.end(); PI != PE;
2502        ++PI)
2503     Changed |= rewriteAllocaPartition(AI, P, PI);
2504
2505   return Changed;
2506 }
2507
2508 /// \brief Analyze an alloca for SROA.
2509 ///
2510 /// This analyzes the alloca to ensure we can reason about it, builds
2511 /// a partitioning of the alloca, and then hands it off to be split and
2512 /// rewritten as needed.
2513 bool SROA::runOnAlloca(AllocaInst &AI) {
2514   DEBUG(dbgs() << "SROA alloca: " << AI << "\n");
2515   ++NumAllocasAnalyzed;
2516
2517   // Special case dead allocas, as they're trivial.
2518   if (AI.use_empty()) {
2519     AI.eraseFromParent();
2520     return true;
2521   }
2522
2523   // Skip alloca forms that this analysis can't handle.
2524   if (AI.isArrayAllocation() || !AI.getAllocatedType()->isSized() ||
2525       TD->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0)
2526     return false;
2527
2528   // First check if this is a non-aggregate type that we should simply promote.
2529   if (!AI.getAllocatedType()->isAggregateType() && isAllocaPromotable(&AI)) {
2530     DEBUG(dbgs() << "  Trivially scalar type, queuing for promotion...\n");
2531     PromotableAllocas.push_back(&AI);
2532     return false;
2533   }
2534
2535   // Build the partition set using a recursive instruction-visiting builder.
2536   AllocaPartitioning P(*TD, AI);
2537   DEBUG(P.print(dbgs()));
2538   if (P.isEscaped())
2539     return false;
2540
2541   // No partitions to split. Leave the dead alloca for a later pass to clean up.
2542   if (P.begin() == P.end())
2543     return false;
2544
2545   // Delete all the dead users of this alloca before splitting and rewriting it.
2546   bool Changed = false;
2547   for (AllocaPartitioning::dead_user_iterator DI = P.dead_user_begin(),
2548                                               DE = P.dead_user_end();
2549        DI != DE; ++DI) {
2550     Changed = true;
2551     (*DI)->replaceAllUsesWith(UndefValue::get((*DI)->getType()));
2552     DeadInsts.push_back(*DI);
2553   }
2554   for (AllocaPartitioning::dead_op_iterator DO = P.dead_op_begin(),
2555                                             DE = P.dead_op_end();
2556        DO != DE; ++DO) {
2557     Value *OldV = **DO;
2558     // Clobber the use with an undef value.
2559     **DO = UndefValue::get(OldV->getType());
2560     if (Instruction *OldI = dyn_cast<Instruction>(OldV))
2561       if (isInstructionTriviallyDead(OldI)) {
2562         Changed = true;
2563         DeadInsts.push_back(OldI);
2564       }
2565   }
2566
2567   return splitAlloca(AI, P) || Changed;
2568 }
2569
2570 /// \brief Delete the dead instructions accumulated in this run.
2571 ///
2572 /// Recursively deletes the dead instructions we've accumulated. This is done
2573 /// at the very end to maximize locality of the recursive delete and to
2574 /// minimize the problems of invalidated instruction pointers as such pointers
2575 /// are used heavily in the intermediate stages of the algorithm.
2576 ///
2577 /// We also record the alloca instructions deleted here so that they aren't
2578 /// subsequently handed to mem2reg to promote.
2579 void SROA::deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst*, 4> &DeletedAllocas) {
2580   DeadSplitInsts.clear();
2581   while (!DeadInsts.empty()) {
2582     Instruction *I = DeadInsts.pop_back_val();
2583     DEBUG(dbgs() << "Deleting dead instruction: " << *I << "\n");
2584
2585     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
2586       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2587         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
2588         *OI = 0;
2589         if (isInstructionTriviallyDead(U))
2590           DeadInsts.push_back(U);
2591       }
2592
2593     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2594       DeletedAllocas.insert(AI);
2595
2596     ++NumDeleted;
2597     I->eraseFromParent();
2598   }
2599 }
2600
2601 namespace {
2602   /// \brief A predicate to test whether an alloca belongs to a set.
2603   class IsAllocaInSet {
2604     typedef SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> SetType;
2605     const SetType &Set;
2606
2607   public:
2608     IsAllocaInSet(const SetType &Set) : Set(Set) {}
2609     bool operator()(AllocaInst *AI) { return Set.count(AI); }
2610   };
2611 }
2612
2613 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
2614   DEBUG(dbgs() << "SROA function: " << F.getName() << "\n");
2615   C = &F.getContext();
2616   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
2617   if (!TD) {
2618     DEBUG(dbgs() << "  Skipping SROA -- no target data!\n");
2619     return false;
2620   }
2621   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2622
2623   BasicBlock &EntryBB = F.getEntryBlock();
2624   for (BasicBlock::iterator I = EntryBB.begin(), E = llvm::prior(EntryBB.end());
2625        I != E; ++I)
2626     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
2627       Worklist.insert(AI);
2628
2629   bool Changed = false;
2630   // A set of deleted alloca instruction pointers which should be removed from
2631   // the list of promotable allocas.
2632   SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> DeletedAllocas;
2633
2634   while (!Worklist.empty()) {
2635     Changed |= runOnAlloca(*Worklist.pop_back_val());
2636     deleteDeadInstructions(DeletedAllocas);
2637     if (!DeletedAllocas.empty()) {
2638       PromotableAllocas.erase(std::remove_if(PromotableAllocas.begin(),
2639                                              PromotableAllocas.end(),
2640                                              IsAllocaInSet(DeletedAllocas)),
2641                               PromotableAllocas.end());
2642       DeletedAllocas.clear();
2643     }
2644   }
2645
2646   if (!PromotableAllocas.empty()) {
2647     DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with mem2reg...\n");
2648     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, *DT);
2649     Changed = true;
2650     NumPromoted += PromotableAllocas.size();
2651     PromotableAllocas.clear();
2652   }
2653
2654   return Changed;
2655 }
2656
2657 void SROA::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2658   AU.addRequired<DominatorTree>();
2659   AU.setPreservesCFG();
2660 }