When scalar replacement returns a vector type, only accept it if the vector
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / ScalarReplAggregates.cpp
1 //===- ScalarReplAggregates.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 //
10 // This transformation implements the well known scalar replacement of
11 // aggregates transformation.  This xform breaks up alloca instructions of
12 // aggregate type (structure or array) into individual alloca instructions for
13 // each member (if possible).  Then, if possible, it transforms the individual
14 // alloca instructions into nice clean scalar SSA form.
15 //
16 // This combines a simple SRoA algorithm with the Mem2Reg algorithm because
17 // often interact, especially for C++ programs.  As such, iterating between
18 // SRoA, then Mem2Reg until we run out of things to promote works well.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #define DEBUG_TYPE "scalarrepl"
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/Constants.h"
25 #include "llvm/DerivedTypes.h"
26 #include "llvm/Function.h"
27 #include "llvm/GlobalVariable.h"
28 #include "llvm/Instructions.h"
29 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
30 #include "llvm/LLVMContext.h"
31 #include "llvm/Module.h"
32 #include "llvm/Pass.h"
33 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
34 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
35 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
36 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
37 #include "llvm/Target/TargetData.h"
38 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
39 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
41 #include "llvm/Support/CallSite.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
44 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
45 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
46 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
48 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumReplaced,  "Number of allocas broken up");
54 STATISTIC(NumPromoted,  "Number of allocas promoted");
55 STATISTIC(NumAdjusted,  "Number of scalar allocas adjusted to allow promotion");
56 STATISTIC(NumConverted, "Number of aggregates converted to scalar");
57 STATISTIC(NumGlobals,   "Number of allocas copied from constant global");
58
59 namespace {
60   struct SROA : public FunctionPass {
61     SROA(int T, bool hasDT, char &ID)
62       : FunctionPass(ID), HasDomTree(hasDT) {
63       if (T == -1)
64         SRThreshold = 128;
65       else
66         SRThreshold = T;
67     }
68
69     bool runOnFunction(Function &F);
70
71     bool performScalarRepl(Function &F);
72     bool performPromotion(Function &F);
73
74   private:
75     bool HasDomTree;
76     TargetData *TD;
77
78     /// DeadInsts - Keep track of instructions we have made dead, so that
79     /// we can remove them after we are done working.
80     SmallVector<Value*, 32> DeadInsts;
81
82     /// AllocaInfo - When analyzing uses of an alloca instruction, this captures
83     /// information about the uses.  All these fields are initialized to false
84     /// and set to true when something is learned.
85     struct AllocaInfo {
86       /// The alloca to promote.
87       AllocaInst *AI;
88       
89       /// CheckedPHIs - This is a set of verified PHI nodes, to prevent infinite
90       /// looping and avoid redundant work.
91       SmallPtrSet<PHINode*, 8> CheckedPHIs;
92       
93       /// isUnsafe - This is set to true if the alloca cannot be SROA'd.
94       bool isUnsafe : 1;
95
96       /// isMemCpySrc - This is true if this aggregate is memcpy'd from.
97       bool isMemCpySrc : 1;
98
99       /// isMemCpyDst - This is true if this aggregate is memcpy'd into.
100       bool isMemCpyDst : 1;
101
102       /// hasSubelementAccess - This is true if a subelement of the alloca is
103       /// ever accessed, or false if the alloca is only accessed with mem
104       /// intrinsics or load/store that only access the entire alloca at once.
105       bool hasSubelementAccess : 1;
106       
107       /// hasALoadOrStore - This is true if there are any loads or stores to it.
108       /// The alloca may just be accessed with memcpy, for example, which would
109       /// not set this.
110       bool hasALoadOrStore : 1;
111       
112       explicit AllocaInfo(AllocaInst *ai)
113         : AI(ai), isUnsafe(false), isMemCpySrc(false), isMemCpyDst(false),
114           hasSubelementAccess(false), hasALoadOrStore(false) {}
115     };
116
117     unsigned SRThreshold;
118
119     void MarkUnsafe(AllocaInfo &I, Instruction *User) {
120       I.isUnsafe = true;
121       DEBUG(dbgs() << "  Transformation preventing inst: " << *User << '\n');
122     }
123
124     bool isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI);
125
126     void isSafeForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset, AllocaInfo &Info);
127     void isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *User, uint64_t Offset,
128                                          AllocaInfo &Info);
129     void isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI, uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info);
130     void isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
131                          const Type *MemOpType, bool isStore, AllocaInfo &Info,
132                          Instruction *TheAccess, bool AllowWholeAccess);
133     bool TypeHasComponent(const Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size);
134     uint64_t FindElementAndOffset(const Type *&T, uint64_t &Offset,
135                                   const Type *&IdxTy);
136
137     void DoScalarReplacement(AllocaInst *AI,
138                              std::vector<AllocaInst*> &WorkList);
139     void DeleteDeadInstructions();
140
141     void RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
142                               SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
143     void RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
144                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
145     void RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
146                     SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
147     void RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
148                                       AllocaInst *AI,
149                                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
150     void RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
151                                        SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
152     void RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
153                                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
154
155     static MemTransferInst *isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI);
156   };
157   
158   // SROA_DT - SROA that uses DominatorTree.
159   struct SROA_DT : public SROA {
160     static char ID;
161   public:
162     SROA_DT(int T = -1) : SROA(T, true, ID) {
163       initializeSROA_DTPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
164     }
165     
166     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
167     // will not alter the CFG, so say so.
168     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
169       AU.addRequired<DominatorTree>();
170       AU.setPreservesCFG();
171     }
172   };
173   
174   // SROA_SSAUp - SROA that uses SSAUpdater.
175   struct SROA_SSAUp : public SROA {
176     static char ID;
177   public:
178     SROA_SSAUp(int T = -1) : SROA(T, false, ID) {
179       initializeSROA_SSAUpPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
180     }
181     
182     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
183     // will not alter the CFG, so say so.
184     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
185       AU.setPreservesCFG();
186     }
187   };
188   
189 }
190
191 char SROA_DT::ID = 0;
192 char SROA_SSAUp::ID = 0;
193
194 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_DT, "scalarrepl",
195                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
196 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
197 INITIALIZE_PASS_END(SROA_DT, "scalarrepl",
198                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
199
200 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
201                       "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
202 INITIALIZE_PASS_END(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
203                     "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
204
205 // Public interface to the ScalarReplAggregates pass
206 FunctionPass *llvm::createScalarReplAggregatesPass(int Threshold,
207                                                    bool UseDomTree) {
208   if (UseDomTree)
209     return new SROA_DT(Threshold);
210   return new SROA_SSAUp(Threshold);
211 }
212
213
214 //===----------------------------------------------------------------------===//
215 // Convert To Scalar Optimization.
216 //===----------------------------------------------------------------------===//
217
218 namespace {
219 /// ConvertToScalarInfo - This class implements the "Convert To Scalar"
220 /// optimization, which scans the uses of an alloca and determines if it can
221 /// rewrite it in terms of a single new alloca that can be mem2reg'd.
222 class ConvertToScalarInfo {
223   /// AllocaSize - The size of the alloca being considered in bytes.
224   unsigned AllocaSize;
225   const TargetData &TD;
226
227   /// IsNotTrivial - This is set to true if there is some access to the object
228   /// which means that mem2reg can't promote it.
229   bool IsNotTrivial;
230
231   /// ScalarKind - Tracks the kind of alloca being considered for promotion,
232   /// computed based on the uses of the alloca rather than the LLVM type system.
233   enum {
234     Unknown,
235
236     // Accesses via GEPs that are consistent with element access of a vector
237     // type. This will not be converted into a vector unless there is a later
238     // access using an actual vector type.
239     ImplicitVector,
240
241     // Accesses via vector operations and GEPs that are consistent with the
242     // layout of a vector type.
243     Vector,
244
245     // An integer bag-of-bits with bitwise operations for insertion and
246     // extraction. Any combination of types can be converted into this kind
247     // of scalar.
248     Integer
249   } ScalarKind;
250
251   /// VectorTy - This tracks the type that we should promote the vector to if
252   /// it is possible to turn it into a vector.  This starts out null, and if it
253   /// isn't possible to turn into a vector type, it gets set to VoidTy.
254   const VectorType *VectorTy;
255
256   /// HadNonMemTransferAccess - True if there is at least one access to the 
257   /// alloca that is not a MemTransferInst.  We don't want to turn structs into
258   /// large integers unless there is some potential for optimization.
259   bool HadNonMemTransferAccess;
260
261 public:
262   explicit ConvertToScalarInfo(unsigned Size, const TargetData &td)
263     : AllocaSize(Size), TD(td), IsNotTrivial(false), ScalarKind(Unknown),
264       VectorTy(0), HadNonMemTransferAccess(false) { }
265
266   AllocaInst *TryConvert(AllocaInst *AI);
267
268 private:
269   bool CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset);
270   void MergeInTypeForLoadOrStore(const Type *In, uint64_t Offset);
271   bool MergeInVectorType(const VectorType *VInTy, uint64_t Offset);
272   void ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, uint64_t Offset);
273
274   Value *ConvertScalar_ExtractValue(Value *NV, const Type *ToType,
275                                     uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder);
276   Value *ConvertScalar_InsertValue(Value *StoredVal, Value *ExistingVal,
277                                    uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder);
278 };
279 } // end anonymous namespace.
280
281
282 /// TryConvert - Analyze the specified alloca, and if it is safe to do so,
283 /// rewrite it to be a new alloca which is mem2reg'able.  This returns the new
284 /// alloca if possible or null if not.
285 AllocaInst *ConvertToScalarInfo::TryConvert(AllocaInst *AI) {
286   // If we can't convert this scalar, or if mem2reg can trivially do it, bail
287   // out.
288   if (!CanConvertToScalar(AI, 0) || !IsNotTrivial)
289     return 0;
290
291   // If an alloca has only memset / memcpy uses, it may still have an Unknown
292   // ScalarKind. Treat it as an Integer below.
293   if (ScalarKind == Unknown)
294     ScalarKind = Integer;
295
296   // FIXME: It should be possible to promote the vector type up to the alloca's
297   // size.
298   if (ScalarKind == Vector && VectorTy->getBitWidth() != AllocaSize * 8)
299     ScalarKind = Integer;
300
301   // If we were able to find a vector type that can handle this with
302   // insert/extract elements, and if there was at least one use that had
303   // a vector type, promote this to a vector.  We don't want to promote
304   // random stuff that doesn't use vectors (e.g. <9 x double>) because then
305   // we just get a lot of insert/extracts.  If at least one vector is
306   // involved, then we probably really do have a union of vector/array.
307   const Type *NewTy;
308   if (ScalarKind == Vector) {
309     assert(VectorTy && "Missing type for vector scalar.");
310     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO VECTOR: " << *AI << "\n  TYPE = "
311           << *VectorTy << '\n');
312     NewTy = VectorTy;  // Use the vector type.
313   } else {
314     unsigned BitWidth = AllocaSize * 8;
315     if ((ScalarKind == ImplicitVector || ScalarKind == Integer) &&
316         !HadNonMemTransferAccess && !TD.fitsInLegalInteger(BitWidth))
317       return 0;
318
319     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO SCALAR INTEGER: " << *AI << "\n");
320     // Create and insert the integer alloca.
321     NewTy = IntegerType::get(AI->getContext(), BitWidth);
322   }
323   AllocaInst *NewAI = new AllocaInst(NewTy, 0, "", AI->getParent()->begin());
324   ConvertUsesToScalar(AI, NewAI, 0);
325   return NewAI;
326 }
327
328 /// MergeInTypeForLoadOrStore - Add the 'In' type to the accumulated vector type
329 /// (VectorTy) so far at the offset specified by Offset (which is specified in
330 /// bytes).
331 ///
332 /// There are three cases we handle here:
333 ///   1) A union of vector types of the same size and potentially its elements.
334 ///      Here we turn element accesses into insert/extract element operations.
335 ///      This promotes a <4 x float> with a store of float to the third element
336 ///      into a <4 x float> that uses insert element.
337 ///   2) A union of vector types with power-of-2 size differences, e.g. a float,
338 ///      <2 x float> and <4 x float>.  Here we turn element accesses into insert
339 ///      and extract element operations, and <2 x float> accesses into a cast to
340 ///      <2 x double>, an extract, and a cast back to <2 x float>.
341 ///   3) A fully general blob of memory, which we turn into some (potentially
342 ///      large) integer type with extract and insert operations where the loads
343 ///      and stores would mutate the memory.  We mark this by setting VectorTy
344 ///      to VoidTy.
345 void ConvertToScalarInfo::MergeInTypeForLoadOrStore(const Type *In,
346                                                     uint64_t Offset) {
347   // If we already decided to turn this into a blob of integer memory, there is
348   // nothing to be done.
349   if (ScalarKind == Integer)
350     return;
351
352   // If this could be contributing to a vector, analyze it.
353
354   // If the In type is a vector that is the same size as the alloca, see if it
355   // matches the existing VecTy.
356   if (const VectorType *VInTy = dyn_cast<VectorType>(In)) {
357     if (MergeInVectorType(VInTy, Offset))
358       return;
359   } else if (In->isFloatTy() || In->isDoubleTy() ||
360              (In->isIntegerTy() && In->getPrimitiveSizeInBits() >= 8 &&
361               isPowerOf2_32(In->getPrimitiveSizeInBits()))) {
362     // Full width accesses can be ignored, because they can always be turned
363     // into bitcasts.
364     unsigned EltSize = In->getPrimitiveSizeInBits()/8;
365     if (EltSize == AllocaSize)
366       return;
367
368     // If we're accessing something that could be an element of a vector, see
369     // if the implied vector agrees with what we already have and if Offset is
370     // compatible with it.
371     if (Offset % EltSize == 0 && AllocaSize % EltSize == 0 &&
372         (!VectorTy || Offset * 8 < VectorTy->getPrimitiveSizeInBits())) {
373       if (!VectorTy) {
374         ScalarKind = ImplicitVector;
375         VectorTy = VectorType::get(In, AllocaSize/EltSize);
376         return;
377       }
378
379       unsigned CurrentEltSize = VectorTy->getElementType()
380                                 ->getPrimitiveSizeInBits()/8;
381       if (EltSize == CurrentEltSize)
382         return;
383
384       if (In->isIntegerTy() && isPowerOf2_32(AllocaSize / EltSize))
385         return;
386     }
387   }
388
389   // Otherwise, we have a case that we can't handle with an optimized vector
390   // form.  We can still turn this into a large integer.
391   ScalarKind = Integer;
392 }
393
394 /// MergeInVectorType - Handles the vector case of MergeInTypeForLoadOrStore,
395 /// returning true if the type was successfully merged and false otherwise.
396 bool ConvertToScalarInfo::MergeInVectorType(const VectorType *VInTy,
397                                             uint64_t Offset) {
398   // TODO: Support nonzero offsets?
399   if (Offset != 0)
400     return false;
401
402   // Only allow vectors that are a power-of-2 away from the size of the alloca.
403   if (!isPowerOf2_64(AllocaSize / (VInTy->getBitWidth() / 8)))
404     return false;
405
406   // If this the first vector we see, remember the type so that we know the
407   // element size.
408   if (!VectorTy) {
409     ScalarKind = Vector;
410     VectorTy = VInTy;
411     return true;
412   }
413
414   unsigned BitWidth = VectorTy->getBitWidth();
415   unsigned InBitWidth = VInTy->getBitWidth();
416
417   // Vectors of the same size can be converted using a simple bitcast.
418   if (InBitWidth == BitWidth && AllocaSize == (InBitWidth / 8)) {
419     ScalarKind = Vector;
420     return true;
421   }
422
423   const Type *ElementTy = VectorTy->getElementType();
424   const Type *InElementTy = VInTy->getElementType();
425
426   // Do not allow mixed integer and floating-point accesses from vectors of
427   // different sizes.
428   if (ElementTy->isFloatingPointTy() != InElementTy->isFloatingPointTy())
429     return false;
430
431   if (ElementTy->isFloatingPointTy()) {
432     // Only allow floating-point vectors of different sizes if they have the
433     // same element type.
434     // TODO: This could be loosened a bit, but would anything benefit?
435     if (ElementTy != InElementTy)
436       return false;
437
438     // There are no arbitrary-precision floating-point types, which limits the
439     // number of legal vector types with larger element types that we can form
440     // to bitcast and extract a subvector.
441     // TODO: We could support some more cases with mixed fp128 and double here.
442     if (!(BitWidth == 64 || BitWidth == 128) ||
443         !(InBitWidth == 64 || InBitWidth == 128))
444       return false;
445   } else {
446     assert(ElementTy->isIntegerTy() && "Vector elements must be either integer "
447                                        "or floating-point.");
448     unsigned BitWidth = ElementTy->getPrimitiveSizeInBits();
449     unsigned InBitWidth = InElementTy->getPrimitiveSizeInBits();
450
451     // Do not allow integer types smaller than a byte or types whose widths are
452     // not a multiple of a byte.
453     if (BitWidth < 8 || InBitWidth < 8 ||
454         BitWidth % 8 != 0 || InBitWidth % 8 != 0)
455       return false;
456   }
457
458   // Pick the largest of the two vector types.
459   ScalarKind = Vector;
460   if (InBitWidth > BitWidth)
461     VectorTy = VInTy;
462
463   return true;
464 }
465
466 /// CanConvertToScalar - V is a pointer.  If we can convert the pointee and all
467 /// its accesses to a single vector type, return true and set VecTy to
468 /// the new type.  If we could convert the alloca into a single promotable
469 /// integer, return true but set VecTy to VoidTy.  Further, if the use is not a
470 /// completely trivial use that mem2reg could promote, set IsNotTrivial.  Offset
471 /// is the current offset from the base of the alloca being analyzed.
472 ///
473 /// If we see at least one access to the value that is as a vector type, set the
474 /// SawVec flag.
475 bool ConvertToScalarInfo::CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset) {
476   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
477     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
478
479     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
480       // Don't break volatile loads.
481       if (LI->isVolatile())
482         return false;
483       // Don't touch MMX operations.
484       if (LI->getType()->isX86_MMXTy())
485         return false;
486       HadNonMemTransferAccess = true;
487       MergeInTypeForLoadOrStore(LI->getType(), Offset);
488       continue;
489     }
490
491     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
492       // Storing the pointer, not into the value?
493       if (SI->getOperand(0) == V || SI->isVolatile()) return false;
494       // Don't touch MMX operations.
495       if (SI->getOperand(0)->getType()->isX86_MMXTy())
496         return false;
497       HadNonMemTransferAccess = true;
498       MergeInTypeForLoadOrStore(SI->getOperand(0)->getType(), Offset);
499       continue;
500     }
501
502     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
503       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
504       if (!CanConvertToScalar(BCI, Offset))
505         return false;
506       continue;
507     }
508
509     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
510       // If this is a GEP with a variable indices, we can't handle it.
511       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
512         return false;
513
514       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
515       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
516       uint64_t GEPOffset = TD.getIndexedOffset(GEP->getPointerOperandType(),
517                                                &Indices[0], Indices.size());
518       // See if all uses can be converted.
519       if (!CanConvertToScalar(GEP, Offset+GEPOffset))
520         return false;
521       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
522       HadNonMemTransferAccess = true;
523       continue;
524     }
525
526     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
527     // handle it.
528     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(User)) {
529       // Store of constant value.
530       if (!isa<ConstantInt>(MSI->getValue()))
531         return false;
532
533       // Store of constant size.
534       ConstantInt *Len = dyn_cast<ConstantInt>(MSI->getLength());
535       if (!Len)
536         return false;
537
538       // If the size differs from the alloca, we can only convert the alloca to
539       // an integer bag-of-bits.
540       // FIXME: This should handle all of the cases that are currently accepted
541       // as vector element insertions.
542       if (Len->getZExtValue() != AllocaSize || Offset != 0)
543         ScalarKind = Integer;
544
545       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
546       HadNonMemTransferAccess = true;
547       continue;
548     }
549
550     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
551     // can handle it like a load or store of the scalar type.
552     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(User)) {
553       ConstantInt *Len = dyn_cast<ConstantInt>(MTI->getLength());
554       if (Len == 0 || Len->getZExtValue() != AllocaSize || Offset != 0)
555         return false;
556
557       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
558       continue;
559     }
560
561     // Otherwise, we cannot handle this!
562     return false;
563   }
564
565   return true;
566 }
567
568 /// ConvertUsesToScalar - Convert all of the users of Ptr to use the new alloca
569 /// directly.  This happens when we are converting an "integer union" to a
570 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
571 /// vector with insert/extractelement instructions.
572 ///
573 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
574 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
575 void ConvertToScalarInfo::ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI,
576                                               uint64_t Offset) {
577   while (!Ptr->use_empty()) {
578     Instruction *User = cast<Instruction>(Ptr->use_back());
579
580     if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
581       ConvertUsesToScalar(CI, NewAI, Offset);
582       CI->eraseFromParent();
583       continue;
584     }
585
586     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
587       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
588       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
589       uint64_t GEPOffset = TD.getIndexedOffset(GEP->getPointerOperandType(),
590                                                &Indices[0], Indices.size());
591       ConvertUsesToScalar(GEP, NewAI, Offset+GEPOffset*8);
592       GEP->eraseFromParent();
593       continue;
594     }
595
596     IRBuilder<> Builder(User);
597
598     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
599       // The load is a bit extract from NewAI shifted right by Offset bits.
600       Value *LoadedVal = Builder.CreateLoad(NewAI, "tmp");
601       Value *NewLoadVal
602         = ConvertScalar_ExtractValue(LoadedVal, LI->getType(), Offset, Builder);
603       LI->replaceAllUsesWith(NewLoadVal);
604       LI->eraseFromParent();
605       continue;
606     }
607
608     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
609       assert(SI->getOperand(0) != Ptr && "Consistency error!");
610       Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
611       Value *New = ConvertScalar_InsertValue(SI->getOperand(0), Old, Offset,
612                                              Builder);
613       Builder.CreateStore(New, NewAI);
614       SI->eraseFromParent();
615
616       // If the load we just inserted is now dead, then the inserted store
617       // overwrote the entire thing.
618       if (Old->use_empty())
619         Old->eraseFromParent();
620       continue;
621     }
622
623     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
624     // transform it into a store of the expanded constant value.
625     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(User)) {
626       assert(MSI->getRawDest() == Ptr && "Consistency error!");
627       unsigned NumBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
628       if (NumBytes != 0) {
629         unsigned Val = cast<ConstantInt>(MSI->getValue())->getZExtValue();
630
631         // Compute the value replicated the right number of times.
632         APInt APVal(NumBytes*8, Val);
633
634         // Splat the value if non-zero.
635         if (Val)
636           for (unsigned i = 1; i != NumBytes; ++i)
637             APVal |= APVal << 8;
638
639         Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
640         Value *New = ConvertScalar_InsertValue(
641                                     ConstantInt::get(User->getContext(), APVal),
642                                                Old, Offset, Builder);
643         Builder.CreateStore(New, NewAI);
644
645         // If the load we just inserted is now dead, then the memset overwrote
646         // the entire thing.
647         if (Old->use_empty())
648           Old->eraseFromParent();
649       }
650       MSI->eraseFromParent();
651       continue;
652     }
653
654     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
655     // can handle it like a load or store of the scalar type.
656     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(User)) {
657       assert(Offset == 0 && "must be store to start of alloca");
658
659       // If the source and destination are both to the same alloca, then this is
660       // a noop copy-to-self, just delete it.  Otherwise, emit a load and store
661       // as appropriate.
662       AllocaInst *OrigAI = cast<AllocaInst>(GetUnderlyingObject(Ptr, &TD, 0));
663
664       if (GetUnderlyingObject(MTI->getSource(), &TD, 0) != OrigAI) {
665         // Dest must be OrigAI, change this to be a load from the original
666         // pointer (bitcasted), then a store to our new alloca.
667         assert(MTI->getRawDest() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
668         Value *SrcPtr = MTI->getSource();
669         const PointerType* SPTy = cast<PointerType>(SrcPtr->getType());
670         const PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
671         if (SPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
672           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
673                                    SPTy->getAddressSpace());
674         }
675         SrcPtr = Builder.CreateBitCast(SrcPtr, AIPTy);
676
677         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(SrcPtr, "srcval");
678         SrcVal->setAlignment(MTI->getAlignment());
679         Builder.CreateStore(SrcVal, NewAI);
680       } else if (GetUnderlyingObject(MTI->getDest(), &TD, 0) != OrigAI) {
681         // Src must be OrigAI, change this to be a load from NewAI then a store
682         // through the original dest pointer (bitcasted).
683         assert(MTI->getRawSource() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
684         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(NewAI, "srcval");
685
686         const PointerType* DPTy = cast<PointerType>(MTI->getDest()->getType());
687         const PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
688         if (DPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
689           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
690                                    DPTy->getAddressSpace());
691         }
692         Value *DstPtr = Builder.CreateBitCast(MTI->getDest(), AIPTy);
693
694         StoreInst *NewStore = Builder.CreateStore(SrcVal, DstPtr);
695         NewStore->setAlignment(MTI->getAlignment());
696       } else {
697         // Noop transfer. Src == Dst
698       }
699
700       MTI->eraseFromParent();
701       continue;
702     }
703
704     llvm_unreachable("Unsupported operation!");
705   }
706 }
707
708 /// getScaledElementType - Gets a scaled element type for a partial vector
709 /// access of an alloca. The input types must be integer or floating-point
710 /// scalar or vector types, and the resulting type is an integer, float or
711 /// double.
712 static const Type *getScaledElementType(const Type *Ty1, const Type *Ty2,
713                                         unsigned NewBitWidth) {
714   bool IsFP1 = Ty1->isFloatingPointTy() ||
715                (Ty1->isVectorTy() &&
716                 cast<VectorType>(Ty1)->getElementType()->isFloatingPointTy());
717   bool IsFP2 = Ty2->isFloatingPointTy() ||
718                (Ty2->isVectorTy() &&
719                 cast<VectorType>(Ty2)->getElementType()->isFloatingPointTy());
720
721   LLVMContext &Context = Ty1->getContext();
722
723   // Prefer floating-point types over integer types, as integer types may have
724   // been created by earlier scalar replacement.
725   if (IsFP1 || IsFP2) {
726     if (NewBitWidth == 32)
727       return Type::getFloatTy(Context);
728     if (NewBitWidth == 64)
729       return Type::getDoubleTy(Context);
730   }
731
732   return Type::getIntNTy(Context, NewBitWidth);
733 }
734
735 /// CreateShuffleVectorCast - Creates a shuffle vector to convert one vector
736 /// to another vector of the same element type which has the same allocation
737 /// size but different primitive sizes (e.g. <3 x i32> and <4 x i32>).
738 static Value *CreateShuffleVectorCast(Value *FromVal, const Type *ToType,
739                                       IRBuilder<> &Builder) {
740   const Type *FromType = FromVal->getType();
741   const VectorType *FromVTy = cast<VectorType>(FromType);
742   const VectorType *ToVTy = cast<VectorType>(ToType);
743   assert((ToVTy->getElementType() == FromVTy->getElementType()) &&
744          "Vectors must have the same element type");
745    Value *UnV = UndefValue::get(FromType);
746    unsigned numEltsFrom = FromVTy->getNumElements();
747    unsigned numEltsTo = ToVTy->getNumElements();
748
749    SmallVector<Constant*, 3> Args;
750    const Type* Int32Ty = Builder.getInt32Ty();
751    unsigned minNumElts = std::min(numEltsFrom, numEltsTo);
752    unsigned i;
753    for (i=0; i != minNumElts; ++i)
754      Args.push_back(ConstantInt::get(Int32Ty, i));
755
756    if (i < numEltsTo) {
757      Constant* UnC = UndefValue::get(Int32Ty);
758      for (; i != numEltsTo; ++i)
759        Args.push_back(UnC);
760    }
761    Constant *Mask = ConstantVector::get(Args);
762    return Builder.CreateShuffleVector(FromVal, UnV, Mask, "tmpV");
763 }
764
765 /// ConvertScalar_ExtractValue - Extract a value of type ToType from an integer
766 /// or vector value FromVal, extracting the bits from the offset specified by
767 /// Offset.  This returns the value, which is of type ToType.
768 ///
769 /// This happens when we are converting an "integer union" to a single
770 /// integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a vector with
771 /// insert/extractelement instructions.
772 ///
773 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
774 /// shifted to the right.
775 Value *ConvertToScalarInfo::
776 ConvertScalar_ExtractValue(Value *FromVal, const Type *ToType,
777                            uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder) {
778   // If the load is of the whole new alloca, no conversion is needed.
779   const Type *FromType = FromVal->getType();
780   if (FromType == ToType && Offset == 0)
781     return FromVal;
782
783   // If the result alloca is a vector type, this is either an element
784   // access or a bitcast to another vector type of the same size.
785   if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(FromType)) {
786     unsigned FromTypeSize = TD.getTypeAllocSize(FromType);
787     unsigned ToTypeSize = TD.getTypeAllocSize(ToType);
788     if (FromTypeSize == ToTypeSize) {
789       // If the two types have the same primitive size, use a bit cast.
790       // Otherwise, it is two vectors with the same element type that has
791       // the same allocation size but different number of elements so use
792       // a shuffle vector.
793       if (FromType->getPrimitiveSizeInBits() ==
794           ToType->getPrimitiveSizeInBits())
795         return Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType, "tmp");
796       else
797         return CreateShuffleVectorCast(FromVal, ToType, Builder);
798     }
799
800     if (isPowerOf2_64(FromTypeSize / ToTypeSize)) {
801       assert(!(ToType->isVectorTy() && Offset != 0) && "Can't extract a value "
802              "of a smaller vector type at a nonzero offset.");
803
804       const Type *CastElementTy = getScaledElementType(FromType, ToType,
805                                                        ToTypeSize * 8);
806       unsigned NumCastVectorElements = FromTypeSize / ToTypeSize;
807
808       LLVMContext &Context = FromVal->getContext();
809       const Type *CastTy = VectorType::get(CastElementTy,
810                                            NumCastVectorElements);
811       Value *Cast = Builder.CreateBitCast(FromVal, CastTy, "tmp");
812
813       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(CastElementTy);
814       unsigned Elt = Offset/EltSize;
815       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
816       Value *Extract = Builder.CreateExtractElement(Cast, ConstantInt::get(
817                                         Type::getInt32Ty(Context), Elt), "tmp");
818       return Builder.CreateBitCast(Extract, ToType, "tmp");
819     }
820
821     // Otherwise it must be an element access.
822     unsigned Elt = 0;
823     if (Offset) {
824       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy->getElementType());
825       Elt = Offset/EltSize;
826       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
827     }
828     // Return the element extracted out of it.
829     Value *V = Builder.CreateExtractElement(FromVal, ConstantInt::get(
830                     Type::getInt32Ty(FromVal->getContext()), Elt), "tmp");
831     if (V->getType() != ToType)
832       V = Builder.CreateBitCast(V, ToType, "tmp");
833     return V;
834   }
835
836   // If ToType is a first class aggregate, extract out each of the pieces and
837   // use insertvalue's to form the FCA.
838   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(ToType)) {
839     const StructLayout &Layout = *TD.getStructLayout(ST);
840     Value *Res = UndefValue::get(ST);
841     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
842       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, ST->getElementType(i),
843                                         Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
844                                               Builder);
845       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i, "tmp");
846     }
847     return Res;
848   }
849
850   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(ToType)) {
851     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
852     Value *Res = UndefValue::get(AT);
853     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
854       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, AT->getElementType(),
855                                               Offset+i*EltSize, Builder);
856       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i, "tmp");
857     }
858     return Res;
859   }
860
861   // Otherwise, this must be a union that was converted to an integer value.
862   const IntegerType *NTy = cast<IntegerType>(FromVal->getType());
863
864   // If this is a big-endian system and the load is narrower than the
865   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
866   int ShAmt = 0;
867   if (TD.isBigEndian()) {
868     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
869     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
870     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
871     ShAmt = TD.getTypeStoreSizeInBits(NTy) -
872             TD.getTypeStoreSizeInBits(ToType) - Offset;
873   } else {
874     ShAmt = Offset;
875   }
876
877   // Note: we support negative bitwidths (with shl) which are not defined.
878   // We do this to support (f.e.) loads off the end of a structure where
879   // only some bits are used.
880   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < NTy->getBitWidth())
881     FromVal = Builder.CreateLShr(FromVal,
882                                  ConstantInt::get(FromVal->getType(),
883                                                            ShAmt), "tmp");
884   else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < NTy->getBitWidth())
885     FromVal = Builder.CreateShl(FromVal,
886                                 ConstantInt::get(FromVal->getType(),
887                                                           -ShAmt), "tmp");
888
889   // Finally, unconditionally truncate the integer to the right width.
890   unsigned LIBitWidth = TD.getTypeSizeInBits(ToType);
891   if (LIBitWidth < NTy->getBitWidth())
892     FromVal =
893       Builder.CreateTrunc(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
894                                                     LIBitWidth), "tmp");
895   else if (LIBitWidth > NTy->getBitWidth())
896     FromVal =
897        Builder.CreateZExt(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
898                                                     LIBitWidth), "tmp");
899
900   // If the result is an integer, this is a trunc or bitcast.
901   if (ToType->isIntegerTy()) {
902     // Should be done.
903   } else if (ToType->isFloatingPointTy() || ToType->isVectorTy()) {
904     // Just do a bitcast, we know the sizes match up.
905     FromVal = Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType, "tmp");
906   } else {
907     // Otherwise must be a pointer.
908     FromVal = Builder.CreateIntToPtr(FromVal, ToType, "tmp");
909   }
910   assert(FromVal->getType() == ToType && "Didn't convert right?");
911   return FromVal;
912 }
913
914 /// ConvertScalar_InsertValue - Insert the value "SV" into the existing integer
915 /// or vector value "Old" at the offset specified by Offset.
916 ///
917 /// This happens when we are converting an "integer union" to a
918 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
919 /// vector with insert/extractelement instructions.
920 ///
921 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
922 /// shifted to the right.
923 Value *ConvertToScalarInfo::
924 ConvertScalar_InsertValue(Value *SV, Value *Old,
925                           uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder) {
926   // Convert the stored type to the actual type, shift it left to insert
927   // then 'or' into place.
928   const Type *AllocaType = Old->getType();
929   LLVMContext &Context = Old->getContext();
930
931   if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaType)) {
932     uint64_t VecSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy);
933     uint64_t ValSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(SV->getType());
934
935     // Changing the whole vector with memset or with an access of a different
936     // vector type?
937     if (ValSize == VecSize) {
938       // If the two types have the same primitive size, use a bit cast.
939       // Otherwise, it is two vectors with the same element type that has
940       // the same allocation size but different number of elements so use
941       // a shuffle vector.
942       if (VTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
943           SV->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
944         return Builder.CreateBitCast(SV, AllocaType, "tmp");
945       else
946         return CreateShuffleVectorCast(SV, VTy, Builder);
947     }
948
949     if (isPowerOf2_64(VecSize / ValSize)) {
950       assert(!(SV->getType()->isVectorTy() && Offset != 0) && "Can't insert a "
951              "value of a smaller vector type at a nonzero offset.");
952
953       const Type *CastElementTy = getScaledElementType(VTy, SV->getType(),
954                                                        ValSize);
955       unsigned NumCastVectorElements = VecSize / ValSize;
956
957       LLVMContext &Context = SV->getContext();
958       const Type *OldCastTy = VectorType::get(CastElementTy,
959                                               NumCastVectorElements);
960       Value *OldCast = Builder.CreateBitCast(Old, OldCastTy, "tmp");
961
962       Value *SVCast = Builder.CreateBitCast(SV, CastElementTy, "tmp");
963
964       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(CastElementTy);
965       unsigned Elt = Offset/EltSize;
966       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
967       Value *Insert =
968         Builder.CreateInsertElement(OldCast, SVCast, ConstantInt::get(
969                                         Type::getInt32Ty(Context), Elt), "tmp");
970       return Builder.CreateBitCast(Insert, AllocaType, "tmp");
971     }
972
973     // Must be an element insertion.
974     assert(SV->getType() == VTy->getElementType());
975     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy->getElementType());
976     unsigned Elt = Offset/EltSize;
977     return Builder.CreateInsertElement(Old, SV,
978                      ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(SV->getContext()), Elt),
979                                      "tmp");
980   }
981
982   // If SV is a first-class aggregate value, insert each value recursively.
983   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(SV->getType())) {
984     const StructLayout &Layout = *TD.getStructLayout(ST);
985     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
986       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i, "tmp");
987       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old,
988                                       Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
989                                       Builder);
990     }
991     return Old;
992   }
993
994   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(SV->getType())) {
995     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
996     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
997       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i, "tmp");
998       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old, Offset+i*EltSize, Builder);
999     }
1000     return Old;
1001   }
1002
1003   // If SV is a float, convert it to the appropriate integer type.
1004   // If it is a pointer, do the same.
1005   unsigned SrcWidth = TD.getTypeSizeInBits(SV->getType());
1006   unsigned DestWidth = TD.getTypeSizeInBits(AllocaType);
1007   unsigned SrcStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(SV->getType());
1008   unsigned DestStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(AllocaType);
1009   if (SV->getType()->isFloatingPointTy() || SV->getType()->isVectorTy())
1010     SV = Builder.CreateBitCast(SV,
1011                             IntegerType::get(SV->getContext(),SrcWidth), "tmp");
1012   else if (SV->getType()->isPointerTy())
1013     SV = Builder.CreatePtrToInt(SV, TD.getIntPtrType(SV->getContext()), "tmp");
1014
1015   // Zero extend or truncate the value if needed.
1016   if (SV->getType() != AllocaType) {
1017     if (SV->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
1018              AllocaType->getPrimitiveSizeInBits())
1019       SV = Builder.CreateZExt(SV, AllocaType, "tmp");
1020     else {
1021       // Truncation may be needed if storing more than the alloca can hold
1022       // (undefined behavior).
1023       SV = Builder.CreateTrunc(SV, AllocaType, "tmp");
1024       SrcWidth = DestWidth;
1025       SrcStoreWidth = DestStoreWidth;
1026     }
1027   }
1028
1029   // If this is a big-endian system and the store is narrower than the
1030   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
1031   int ShAmt = 0;
1032   if (TD.isBigEndian()) {
1033     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
1034     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
1035     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
1036     ShAmt = DestStoreWidth - SrcStoreWidth - Offset;
1037   } else {
1038     ShAmt = Offset;
1039   }
1040
1041   // Note: we support negative bitwidths (with shr) which are not defined.
1042   // We do this to support (f.e.) stores off the end of a structure where
1043   // only some bits in the structure are set.
1044   APInt Mask(APInt::getLowBitsSet(DestWidth, SrcWidth));
1045   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < DestWidth) {
1046     SV = Builder.CreateShl(SV, ConstantInt::get(SV->getType(),
1047                            ShAmt), "tmp");
1048     Mask <<= ShAmt;
1049   } else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < DestWidth) {
1050     SV = Builder.CreateLShr(SV, ConstantInt::get(SV->getType(),
1051                             -ShAmt), "tmp");
1052     Mask = Mask.lshr(-ShAmt);
1053   }
1054
1055   // Mask out the bits we are about to insert from the old value, and or
1056   // in the new bits.
1057   if (SrcWidth != DestWidth) {
1058     assert(DestWidth > SrcWidth);
1059     Old = Builder.CreateAnd(Old, ConstantInt::get(Context, ~Mask), "mask");
1060     SV = Builder.CreateOr(Old, SV, "ins");
1061   }
1062   return SV;
1063 }
1064
1065
1066 //===----------------------------------------------------------------------===//
1067 // SRoA Driver
1068 //===----------------------------------------------------------------------===//
1069
1070
1071 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
1072   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1073
1074   bool Changed = performPromotion(F);
1075
1076   // FIXME: ScalarRepl currently depends on TargetData more than it
1077   // theoretically needs to. It should be refactored in order to support
1078   // target-independent IR. Until this is done, just skip the actual
1079   // scalar-replacement portion of this pass.
1080   if (!TD) return Changed;
1081
1082   while (1) {
1083     bool LocalChange = performScalarRepl(F);
1084     if (!LocalChange) break;   // No need to repromote if no scalarrepl
1085     Changed = true;
1086     LocalChange = performPromotion(F);
1087     if (!LocalChange) break;   // No need to re-scalarrepl if no promotion
1088   }
1089
1090   return Changed;
1091 }
1092
1093 namespace {
1094 class AllocaPromoter : public LoadAndStorePromoter {
1095   AllocaInst *AI;
1096 public:
1097   AllocaPromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
1098                  DbgDeclareInst *DD, DIBuilder *&DB)
1099     : LoadAndStorePromoter(Insts, S, DD, DB), AI(0) {}
1100   
1101   void run(AllocaInst *AI, const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) {
1102     // Remember which alloca we're promoting (for isInstInList).
1103     this->AI = AI;
1104     LoadAndStorePromoter::run(Insts);
1105     AI->eraseFromParent();
1106   }
1107   
1108   virtual bool isInstInList(Instruction *I,
1109                             const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const {
1110     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1111       return LI->getOperand(0) == AI;
1112     return cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand() == AI;
1113   }
1114 };
1115 } // end anon namespace
1116
1117 /// isSafeSelectToSpeculate - Select instructions that use an alloca and are
1118 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers and then
1119 /// select between the result, allowing the load of the alloca to be promoted.
1120 /// From this:
1121 ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
1122 ///   %V = load i32* %P2
1123 /// to:
1124 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1125 ///   %V2 = load i32* %Other
1126 ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
1127 ///
1128 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1129 /// the select can be loaded unconditionally.
1130 static bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst *SI, const TargetData *TD) {
1131   bool TDerefable = SI->getTrueValue()->isDereferenceablePointer();
1132   bool FDerefable = SI->getFalseValue()->isDereferenceablePointer();
1133   
1134   for (Value::use_iterator UI = SI->use_begin(), UE = SI->use_end();
1135        UI != UE; ++UI) {
1136     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
1137     if (LI == 0 || LI->isVolatile()) return false;
1138     
1139     // Both operands to the select need to be dereferencable, either absolutely
1140     // (e.g. allocas) or at this point because we can see other accesses to it.
1141     if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getTrueValue(), LI,
1142                                                     LI->getAlignment(), TD))
1143       return false;
1144     if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getFalseValue(), LI,
1145                                                     LI->getAlignment(), TD))
1146       return false;
1147   }
1148   
1149   return true;
1150 }
1151
1152 /// isSafePHIToSpeculate - PHI instructions that use an alloca and are
1153 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers in the pred
1154 /// blocks and then PHI the results, allowing the load of the alloca to be
1155 /// promoted.
1156 /// From this:
1157 ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
1158 ///   %V = load i32* %P2
1159 /// to:
1160 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1161 ///   ...
1162 ///   %V2 = load i32* %Other
1163 ///   ...
1164 ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
1165 ///
1166 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1167 /// the select can be loaded unconditionally.
1168 static bool isSafePHIToSpeculate(PHINode *PN, const TargetData *TD) {
1169   // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block as
1170   // the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
1171   // TODO: Allow recursive phi users.
1172   // TODO: Allow stores.
1173   BasicBlock *BB = PN->getParent();
1174   unsigned MaxAlign = 0;
1175   for (Value::use_iterator UI = PN->use_begin(), UE = PN->use_end();
1176        UI != UE; ++UI) {
1177     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
1178     if (LI == 0 || LI->isVolatile()) return false;
1179     
1180     // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is a
1181     // common case that happens when instcombine merges two loads through a PHI.
1182     if (LI->getParent() != BB) return false;
1183     
1184     // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
1185     // could store.
1186     for (BasicBlock::iterator BBI = PN; &*BBI != LI; ++BBI)
1187       if (BBI->mayWriteToMemory())
1188         return false;
1189     
1190     MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
1191   }
1192   
1193   // Okay, we know that we have one or more loads in the same block as the PHI.
1194   // We can transform this if it is safe to push the loads into the predecessor
1195   // blocks.  The only thing to watch out for is that we can't put a possibly
1196   // trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
1197   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1198     BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1199
1200     // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't critical.
1201     if (Pred->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1)
1202       continue;
1203     
1204     Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1205     
1206     // If the InVal is an invoke in the pred, we can't put a load on the edge.
1207     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InVal))
1208       if (II->getParent() == Pred)
1209         return false;
1210
1211     // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there is
1212     // already a load in the block, then we can move the load to the pred block.
1213     if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
1214         isSafeToLoadUnconditionally(InVal, Pred->getTerminator(), MaxAlign, TD))
1215       continue;
1216     
1217     return false;
1218   }
1219     
1220   return true;
1221 }
1222
1223
1224 /// tryToMakeAllocaBePromotable - This returns true if the alloca only has
1225 /// direct (non-volatile) loads and stores to it.  If the alloca is close but
1226 /// not quite there, this will transform the code to allow promotion.  As such,
1227 /// it is a non-pure predicate.
1228 static bool tryToMakeAllocaBePromotable(AllocaInst *AI, const TargetData *TD) {
1229   SetVector<Instruction*, SmallVector<Instruction*, 4>,
1230             SmallPtrSet<Instruction*, 4> > InstsToRewrite;
1231   
1232   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
1233        UI != UE; ++UI) {
1234     User *U = *UI;
1235     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1236       if (LI->isVolatile())
1237         return false;
1238       continue;
1239     }
1240     
1241     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1242       if (SI->getOperand(0) == AI || SI->isVolatile())
1243         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
1244       continue;
1245     }
1246
1247     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(U)) {
1248       // If the condition being selected on is a constant, fold the select, yes
1249       // this does (rarely) happen early on.
1250       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI->getCondition())) {
1251         Value *Result = SI->getOperand(1+CI->isZero());
1252         SI->replaceAllUsesWith(Result);
1253         SI->eraseFromParent();
1254         
1255         // This is very rare and we just scrambled the use list of AI, start
1256         // over completely.
1257         return tryToMakeAllocaBePromotable(AI, TD);
1258       }
1259
1260       // If it is safe to turn "load (select c, AI, ptr)" into a select of two
1261       // loads, then we can transform this by rewriting the select.
1262       if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, TD))
1263         return false;
1264       
1265       InstsToRewrite.insert(SI);
1266       continue;
1267     }
1268     
1269     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1270       if (PN->use_empty()) {  // Dead PHIs can be stripped.
1271         InstsToRewrite.insert(PN);
1272         continue;
1273       }
1274       
1275       // If it is safe to turn "load (phi [AI, ptr, ...])" into a PHI of loads
1276       // in the pred blocks, then we can transform this by rewriting the PHI.
1277       if (!isSafePHIToSpeculate(PN, TD))
1278         return false;
1279       
1280       InstsToRewrite.insert(PN);
1281       continue;
1282     }
1283     
1284     return false;
1285   }
1286
1287   // If there are no instructions to rewrite, then all uses are load/stores and
1288   // we're done!
1289   if (InstsToRewrite.empty())
1290     return true;
1291   
1292   // If we have instructions that need to be rewritten for this to be promotable
1293   // take care of it now.
1294   for (unsigned i = 0, e = InstsToRewrite.size(); i != e; ++i) {
1295     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(InstsToRewrite[i])) {
1296       // Selects in InstsToRewrite only have load uses.  Rewrite each as two
1297       // loads with a new select.
1298       while (!SI->use_empty()) {
1299         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->use_back());
1300       
1301         IRBuilder<> Builder(LI);
1302         LoadInst *TrueLoad = 
1303           Builder.CreateLoad(SI->getTrueValue(), LI->getName()+".t");
1304         LoadInst *FalseLoad = 
1305           Builder.CreateLoad(SI->getFalseValue(), LI->getName()+".t");
1306         
1307         // Transfer alignment and TBAA info if present.
1308         TrueLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1309         FalseLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1310         if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
1311           TrueLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1312           FalseLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1313         }
1314         
1315         Value *V = Builder.CreateSelect(SI->getCondition(), TrueLoad, FalseLoad);
1316         V->takeName(LI);
1317         LI->replaceAllUsesWith(V);
1318         LI->eraseFromParent();
1319       }
1320     
1321       // Now that all the loads are gone, the select is gone too.
1322       SI->eraseFromParent();
1323       continue;
1324     }
1325     
1326     // Otherwise, we have a PHI node which allows us to push the loads into the
1327     // predecessors.
1328     PHINode *PN = cast<PHINode>(InstsToRewrite[i]);
1329     if (PN->use_empty()) {
1330       PN->eraseFromParent();
1331       continue;
1332     }
1333     
1334     const Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN->getType())->getElementType();
1335     PHINode *NewPN = PHINode::Create(LoadTy, PN->getNumIncomingValues(),
1336                                      PN->getName()+".ld", PN);
1337
1338     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
1339     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
1340     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(PN->use_back());
1341     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
1342     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
1343     
1344     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
1345     while (!PN->use_empty()) {
1346       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(PN->use_back());
1347       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
1348       LI->eraseFromParent();
1349     }
1350     
1351     // Inject loads into all of the pred blocks.  Keep track of which blocks we
1352     // insert them into in case we have multiple edges from the same block.
1353     DenseMap<BasicBlock*, LoadInst*> InsertedLoads;
1354     
1355     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1356       BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1357       LoadInst *&Load = InsertedLoads[Pred];
1358       if (Load == 0) {
1359         Load = new LoadInst(PN->getIncomingValue(i),
1360                             PN->getName() + "." + Pred->getName(),
1361                             Pred->getTerminator());
1362         Load->setAlignment(Align);
1363         if (TBAATag) Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
1364       }
1365       
1366       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
1367     }
1368     
1369     PN->eraseFromParent();
1370   }
1371     
1372   ++NumAdjusted;
1373   return true;
1374 }
1375
1376 bool SROA::performPromotion(Function &F) {
1377   std::vector<AllocaInst*> Allocas;
1378   DominatorTree *DT = 0;
1379   if (HasDomTree)
1380     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1381
1382   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();  // Get the entry node for the function
1383
1384   bool Changed = false;
1385   SmallVector<Instruction*, 64> Insts;
1386   DIBuilder *DIB = 0;
1387   while (1) {
1388     Allocas.clear();
1389
1390     // Find allocas that are safe to promote, by looking at all instructions in
1391     // the entry node
1392     for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
1393       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))       // Is it an alloca?
1394         if (tryToMakeAllocaBePromotable(AI, TD))
1395           Allocas.push_back(AI);
1396
1397     if (Allocas.empty()) break;
1398
1399     if (HasDomTree)
1400       PromoteMemToReg(Allocas, *DT);
1401     else {
1402       SSAUpdater SSA;
1403       for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
1404         AllocaInst *AI = Allocas[i];
1405         
1406         // Build list of instructions to promote.
1407         for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
1408              UI != E; ++UI)
1409           Insts.push_back(cast<Instruction>(*UI));
1410
1411         DbgDeclareInst *DDI = FindAllocaDbgDeclare(AI);
1412         if (DDI && !DIB)
1413           DIB = new DIBuilder(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
1414         AllocaPromoter(Insts, SSA, DDI, DIB).run(AI, Insts);
1415         Insts.clear();
1416       }
1417     }
1418     NumPromoted += Allocas.size();
1419     Changed = true;
1420   }
1421
1422   // FIXME: Is there a better way to handle the lazy initialization of DIB
1423   // so that there doesn't need to be an explicit delete?
1424   delete DIB;
1425
1426   return Changed;
1427 }
1428
1429
1430 /// ShouldAttemptScalarRepl - Decide if an alloca is a good candidate for
1431 /// SROA.  It must be a struct or array type with a small number of elements.
1432 static bool ShouldAttemptScalarRepl(AllocaInst *AI) {
1433   const Type *T = AI->getAllocatedType();
1434   // Do not promote any struct into more than 32 separate vars.
1435   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T))
1436     return ST->getNumElements() <= 32;
1437   // Arrays are much less likely to be safe for SROA; only consider
1438   // them if they are very small.
1439   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T))
1440     return AT->getNumElements() <= 8;
1441   return false;
1442 }
1443
1444
1445 // performScalarRepl - This algorithm is a simple worklist driven algorithm,
1446 // which runs on all of the malloc/alloca instructions in the function, removing
1447 // them if they are only used by getelementptr instructions.
1448 //
1449 bool SROA::performScalarRepl(Function &F) {
1450   std::vector<AllocaInst*> WorkList;
1451
1452   // Scan the entry basic block, adding allocas to the worklist.
1453   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();
1454   for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
1455     if (AllocaInst *A = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1456       WorkList.push_back(A);
1457
1458   // Process the worklist
1459   bool Changed = false;
1460   while (!WorkList.empty()) {
1461     AllocaInst *AI = WorkList.back();
1462     WorkList.pop_back();
1463
1464     // Handle dead allocas trivially.  These can be formed by SROA'ing arrays
1465     // with unused elements.
1466     if (AI->use_empty()) {
1467       AI->eraseFromParent();
1468       Changed = true;
1469       continue;
1470     }
1471
1472     // If this alloca is impossible for us to promote, reject it early.
1473     if (AI->isArrayAllocation() || !AI->getAllocatedType()->isSized())
1474       continue;
1475
1476     // Check to see if this allocation is only modified by a memcpy/memmove from
1477     // a constant global.  If this is the case, we can change all users to use
1478     // the constant global instead.  This is commonly produced by the CFE by
1479     // constructs like "void foo() { int A[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9...}; }" if 'A'
1480     // is only subsequently read.
1481     if (MemTransferInst *TheCopy = isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI)) {
1482       DEBUG(dbgs() << "Found alloca equal to global: " << *AI << '\n');
1483       DEBUG(dbgs() << "  memcpy = " << *TheCopy << '\n');
1484       Constant *TheSrc = cast<Constant>(TheCopy->getSource());
1485       AI->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(TheSrc, AI->getType()));
1486       TheCopy->eraseFromParent();  // Don't mutate the global.
1487       AI->eraseFromParent();
1488       ++NumGlobals;
1489       Changed = true;
1490       continue;
1491     }
1492
1493     // Check to see if we can perform the core SROA transformation.  We cannot
1494     // transform the allocation instruction if it is an array allocation
1495     // (allocations OF arrays are ok though), and an allocation of a scalar
1496     // value cannot be decomposed at all.
1497     uint64_t AllocaSize = TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType());
1498
1499     // Do not promote [0 x %struct].
1500     if (AllocaSize == 0) continue;
1501
1502     // Do not promote any struct whose size is too big.
1503     if (AllocaSize > SRThreshold) continue;
1504
1505     // If the alloca looks like a good candidate for scalar replacement, and if
1506     // all its users can be transformed, then split up the aggregate into its
1507     // separate elements.
1508     if (ShouldAttemptScalarRepl(AI) && isSafeAllocaToScalarRepl(AI)) {
1509       DoScalarReplacement(AI, WorkList);
1510       Changed = true;
1511       continue;
1512     }
1513
1514     // If we can turn this aggregate value (potentially with casts) into a
1515     // simple scalar value that can be mem2reg'd into a register value.
1516     // IsNotTrivial tracks whether this is something that mem2reg could have
1517     // promoted itself.  If so, we don't want to transform it needlessly.  Note
1518     // that we can't just check based on the type: the alloca may be of an i32
1519     // but that has pointer arithmetic to set byte 3 of it or something.
1520     if (AllocaInst *NewAI =
1521           ConvertToScalarInfo((unsigned)AllocaSize, *TD).TryConvert(AI)) {
1522       NewAI->takeName(AI);
1523       AI->eraseFromParent();
1524       ++NumConverted;
1525       Changed = true;
1526       continue;
1527     }
1528
1529     // Otherwise, couldn't process this alloca.
1530   }
1531
1532   return Changed;
1533 }
1534
1535 /// DoScalarReplacement - This alloca satisfied the isSafeAllocaToScalarRepl
1536 /// predicate, do SROA now.
1537 void SROA::DoScalarReplacement(AllocaInst *AI,
1538                                std::vector<AllocaInst*> &WorkList) {
1539   DEBUG(dbgs() << "Found inst to SROA: " << *AI << '\n');
1540   SmallVector<AllocaInst*, 32> ElementAllocas;
1541   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
1542     ElementAllocas.reserve(ST->getNumContainedTypes());
1543     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumContainedTypes(); i != e; ++i) {
1544       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ST->getContainedType(i), 0,
1545                                       AI->getAlignment(),
1546                                       AI->getName() + "." + Twine(i), AI);
1547       ElementAllocas.push_back(NA);
1548       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
1549     }
1550   } else {
1551     const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType());
1552     ElementAllocas.reserve(AT->getNumElements());
1553     const Type *ElTy = AT->getElementType();
1554     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
1555       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ElTy, 0, AI->getAlignment(),
1556                                       AI->getName() + "." + Twine(i), AI);
1557       ElementAllocas.push_back(NA);
1558       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
1559     }
1560   }
1561
1562   // Now that we have created the new alloca instructions, rewrite all the
1563   // uses of the old alloca.
1564   RewriteForScalarRepl(AI, AI, 0, ElementAllocas);
1565
1566   // Now erase any instructions that were made dead while rewriting the alloca.
1567   DeleteDeadInstructions();
1568   AI->eraseFromParent();
1569
1570   ++NumReplaced;
1571 }
1572
1573 /// DeleteDeadInstructions - Erase instructions on the DeadInstrs list,
1574 /// recursively including all their operands that become trivially dead.
1575 void SROA::DeleteDeadInstructions() {
1576   while (!DeadInsts.empty()) {
1577     Instruction *I = cast<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val());
1578
1579     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
1580       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
1581         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
1582         // (But, don't add allocas to the dead instruction list -- they are
1583         // already on the worklist and will be deleted separately.)
1584         *OI = 0;
1585         if (isInstructionTriviallyDead(U) && !isa<AllocaInst>(U))
1586           DeadInsts.push_back(U);
1587       }
1588
1589     I->eraseFromParent();
1590   }
1591 }
1592
1593 /// isSafeForScalarRepl - Check if instruction I is a safe use with regard to
1594 /// performing scalar replacement of alloca AI.  The results are flagged in
1595 /// the Info parameter.  Offset indicates the position within AI that is
1596 /// referenced by this instruction.
1597 void SROA::isSafeForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset,
1598                                AllocaInfo &Info) {
1599   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E; ++UI) {
1600     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
1601
1602     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1603       isSafeForScalarRepl(BC, Offset, Info);
1604     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1605       uint64_t GEPOffset = Offset;
1606       isSafeGEP(GEPI, GEPOffset, Info);
1607       if (!Info.isUnsafe)
1608         isSafeForScalarRepl(GEPI, GEPOffset, Info);
1609     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
1610       ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
1611       if (Length == 0)
1612         return MarkUnsafe(Info, User);
1613       isSafeMemAccess(Offset, Length->getZExtValue(), 0,
1614                       UI.getOperandNo() == 0, Info, MI,
1615                       true /*AllowWholeAccess*/);
1616     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1617       if (LI->isVolatile())
1618         return MarkUnsafe(Info, User);
1619       const Type *LIType = LI->getType();
1620       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(LIType),
1621                       LIType, false, Info, LI, true /*AllowWholeAccess*/);
1622       Info.hasALoadOrStore = true;
1623         
1624     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1625       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1626       if (SI->isVolatile() || SI->getOperand(0) == I)
1627         return MarkUnsafe(Info, User);
1628         
1629       const Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1630       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(SIType),
1631                       SIType, true, Info, SI, true /*AllowWholeAccess*/);
1632       Info.hasALoadOrStore = true;
1633     } else if (isa<PHINode>(User) || isa<SelectInst>(User)) {
1634       isSafePHISelectUseForScalarRepl(User, Offset, Info);
1635     } else {
1636       return MarkUnsafe(Info, User);
1637     }
1638     if (Info.isUnsafe) return;
1639   }
1640 }
1641  
1642
1643 /// isSafePHIUseForScalarRepl - If we see a PHI node or select using a pointer
1644 /// derived from the alloca, we can often still split the alloca into elements.
1645 /// This is useful if we have a large alloca where one element is phi'd
1646 /// together somewhere: we can SRoA and promote all the other elements even if
1647 /// we end up not being able to promote this one.
1648 ///
1649 /// All we require is that the uses of the PHI do not index into other parts of
1650 /// the alloca.  The most important use case for this is single load and stores
1651 /// that are PHI'd together, which can happen due to code sinking.
1652 void SROA::isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset,
1653                                            AllocaInfo &Info) {
1654   // If we've already checked this PHI, don't do it again.
1655   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1656     if (!Info.CheckedPHIs.insert(PN))
1657       return;
1658   
1659   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E; ++UI) {
1660     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
1661     
1662     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1663       isSafePHISelectUseForScalarRepl(BC, Offset, Info);
1664     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1665       // Only allow "bitcast" GEPs for simplicity.  We could generalize this,
1666       // but would have to prove that we're staying inside of an element being
1667       // promoted.
1668       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
1669         return MarkUnsafe(Info, User);
1670       isSafePHISelectUseForScalarRepl(GEPI, Offset, Info);
1671     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1672       if (LI->isVolatile())
1673         return MarkUnsafe(Info, User);
1674       const Type *LIType = LI->getType();
1675       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(LIType),
1676                       LIType, false, Info, LI, false /*AllowWholeAccess*/);
1677       Info.hasALoadOrStore = true;
1678       
1679     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1680       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1681       if (SI->isVolatile() || SI->getOperand(0) == I)
1682         return MarkUnsafe(Info, User);
1683       
1684       const Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1685       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(SIType),
1686                       SIType, true, Info, SI, false /*AllowWholeAccess*/);
1687       Info.hasALoadOrStore = true;
1688     } else if (isa<PHINode>(User) || isa<SelectInst>(User)) {
1689       isSafePHISelectUseForScalarRepl(User, Offset, Info);
1690     } else {
1691       return MarkUnsafe(Info, User);
1692     }
1693     if (Info.isUnsafe) return;
1694   }
1695 }
1696
1697 /// isSafeGEP - Check if a GEP instruction can be handled for scalar
1698 /// replacement.  It is safe when all the indices are constant, in-bounds
1699 /// references, and when the resulting offset corresponds to an element within
1700 /// the alloca type.  The results are flagged in the Info parameter.  Upon
1701 /// return, Offset is adjusted as specified by the GEP indices.
1702 void SROA::isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI,
1703                      uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info) {
1704   gep_type_iterator GEPIt = gep_type_begin(GEPI), E = gep_type_end(GEPI);
1705   if (GEPIt == E)
1706     return;
1707
1708   // Walk through the GEP type indices, checking the types that this indexes
1709   // into.
1710   for (; GEPIt != E; ++GEPIt) {
1711     // Ignore struct elements, no extra checking needed for these.
1712     if ((*GEPIt)->isStructTy())
1713       continue;
1714
1715     ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPIt.getOperand());
1716     if (!IdxVal)
1717       return MarkUnsafe(Info, GEPI);
1718   }
1719
1720   // Compute the offset due to this GEP and check if the alloca has a
1721   // component element at that offset.
1722   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
1723   Offset += TD->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(),
1724                                  &Indices[0], Indices.size());
1725   if (!TypeHasComponent(Info.AI->getAllocatedType(), Offset, 0))
1726     MarkUnsafe(Info, GEPI);
1727 }
1728
1729 /// isHomogeneousAggregate - Check if type T is a struct or array containing
1730 /// elements of the same type (which is always true for arrays).  If so,
1731 /// return true with NumElts and EltTy set to the number of elements and the
1732 /// element type, respectively.
1733 static bool isHomogeneousAggregate(const Type *T, unsigned &NumElts,
1734                                    const Type *&EltTy) {
1735   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1736     NumElts = AT->getNumElements();
1737     EltTy = (NumElts == 0 ? 0 : AT->getElementType());
1738     return true;
1739   }
1740   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1741     NumElts = ST->getNumContainedTypes();
1742     EltTy = (NumElts == 0 ? 0 : ST->getContainedType(0));
1743     for (unsigned n = 1; n < NumElts; ++n) {
1744       if (ST->getContainedType(n) != EltTy)
1745         return false;
1746     }
1747     return true;
1748   }
1749   return false;
1750 }
1751
1752 /// isCompatibleAggregate - Check if T1 and T2 are either the same type or are
1753 /// "homogeneous" aggregates with the same element type and number of elements.
1754 static bool isCompatibleAggregate(const Type *T1, const Type *T2) {
1755   if (T1 == T2)
1756     return true;
1757
1758   unsigned NumElts1, NumElts2;
1759   const Type *EltTy1, *EltTy2;
1760   if (isHomogeneousAggregate(T1, NumElts1, EltTy1) &&
1761       isHomogeneousAggregate(T2, NumElts2, EltTy2) &&
1762       NumElts1 == NumElts2 &&
1763       EltTy1 == EltTy2)
1764     return true;
1765
1766   return false;
1767 }
1768
1769 /// isSafeMemAccess - Check if a load/store/memcpy operates on the entire AI
1770 /// alloca or has an offset and size that corresponds to a component element
1771 /// within it.  The offset checked here may have been formed from a GEP with a
1772 /// pointer bitcasted to a different type.
1773 ///
1774 /// If AllowWholeAccess is true, then this allows uses of the entire alloca as a
1775 /// unit.  If false, it only allows accesses known to be in a single element.
1776 void SROA::isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
1777                            const Type *MemOpType, bool isStore,
1778                            AllocaInfo &Info, Instruction *TheAccess,
1779                            bool AllowWholeAccess) {
1780   // Check if this is a load/store of the entire alloca.
1781   if (Offset == 0 && AllowWholeAccess &&
1782       MemSize == TD->getTypeAllocSize(Info.AI->getAllocatedType())) {
1783     // This can be safe for MemIntrinsics (where MemOpType is 0) and integer
1784     // loads/stores (which are essentially the same as the MemIntrinsics with
1785     // regard to copying padding between elements).  But, if an alloca is
1786     // flagged as both a source and destination of such operations, we'll need
1787     // to check later for padding between elements.
1788     if (!MemOpType || MemOpType->isIntegerTy()) {
1789       if (isStore)
1790         Info.isMemCpyDst = true;
1791       else
1792         Info.isMemCpySrc = true;
1793       return;
1794     }
1795     // This is also safe for references using a type that is compatible with
1796     // the type of the alloca, so that loads/stores can be rewritten using
1797     // insertvalue/extractvalue.
1798     if (isCompatibleAggregate(MemOpType, Info.AI->getAllocatedType())) {
1799       Info.hasSubelementAccess = true;
1800       return;
1801     }
1802   }
1803   // Check if the offset/size correspond to a component within the alloca type.
1804   const Type *T = Info.AI->getAllocatedType();
1805   if (TypeHasComponent(T, Offset, MemSize)) {
1806     Info.hasSubelementAccess = true;
1807     return;
1808   }
1809
1810   return MarkUnsafe(Info, TheAccess);
1811 }
1812
1813 /// TypeHasComponent - Return true if T has a component type with the
1814 /// specified offset and size.  If Size is zero, do not check the size.
1815 bool SROA::TypeHasComponent(const Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size) {
1816   const Type *EltTy;
1817   uint64_t EltSize;
1818   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1819     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(ST);
1820     unsigned EltIdx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
1821     EltTy = ST->getContainedType(EltIdx);
1822     EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
1823     Offset -= Layout->getElementOffset(EltIdx);
1824   } else if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1825     EltTy = AT->getElementType();
1826     EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
1827     if (Offset >= AT->getNumElements() * EltSize)
1828       return false;
1829     Offset %= EltSize;
1830   } else {
1831     return false;
1832   }
1833   if (Offset == 0 && (Size == 0 || EltSize == Size))
1834     return true;
1835   // Check if the component spans multiple elements.
1836   if (Offset + Size > EltSize)
1837     return false;
1838   return TypeHasComponent(EltTy, Offset, Size);
1839 }
1840
1841 /// RewriteForScalarRepl - Alloca AI is being split into NewElts, so rewrite
1842 /// the instruction I, which references it, to use the separate elements.
1843 /// Offset indicates the position within AI that is referenced by this
1844 /// instruction.
1845 void SROA::RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1846                                 SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1847   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E;) {
1848     Use &TheUse = UI.getUse();
1849     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1850
1851     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1852       RewriteBitCast(BC, AI, Offset, NewElts);
1853       continue;
1854     }
1855     
1856     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1857       RewriteGEP(GEPI, AI, Offset, NewElts);
1858       continue;
1859     }
1860     
1861     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
1862       ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
1863       uint64_t MemSize = Length->getZExtValue();
1864       if (Offset == 0 &&
1865           MemSize == TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType()))
1866         RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MI, I, AI, NewElts);
1867       // Otherwise the intrinsic can only touch a single element and the
1868       // address operand will be updated, so nothing else needs to be done.
1869       continue;
1870     }
1871     
1872     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1873       const Type *LIType = LI->getType();
1874       
1875       if (isCompatibleAggregate(LIType, AI->getAllocatedType())) {
1876         // Replace:
1877         //   %res = load { i32, i32 }* %alloc
1878         // with:
1879         //   %load.0 = load i32* %alloc.0
1880         //   %insert.0 insertvalue { i32, i32 } zeroinitializer, i32 %load.0, 0
1881         //   %load.1 = load i32* %alloc.1
1882         //   %insert = insertvalue { i32, i32 } %insert.0, i32 %load.1, 1
1883         // (Also works for arrays instead of structs)
1884         Value *Insert = UndefValue::get(LIType);
1885         IRBuilder<> Builder(LI);
1886         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1887           Value *Load = Builder.CreateLoad(NewElts[i], "load");
1888           Insert = Builder.CreateInsertValue(Insert, Load, i, "insert");
1889         }
1890         LI->replaceAllUsesWith(Insert);
1891         DeadInsts.push_back(LI);
1892       } else if (LIType->isIntegerTy() &&
1893                  TD->getTypeAllocSize(LIType) ==
1894                  TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1895         // If this is a load of the entire alloca to an integer, rewrite it.
1896         RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LI, AI, NewElts);
1897       }
1898       continue;
1899     }
1900     
1901     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1902       Value *Val = SI->getOperand(0);
1903       const Type *SIType = Val->getType();
1904       if (isCompatibleAggregate(SIType, AI->getAllocatedType())) {
1905         // Replace:
1906         //   store { i32, i32 } %val, { i32, i32 }* %alloc
1907         // with:
1908         //   %val.0 = extractvalue { i32, i32 } %val, 0
1909         //   store i32 %val.0, i32* %alloc.0
1910         //   %val.1 = extractvalue { i32, i32 } %val, 1
1911         //   store i32 %val.1, i32* %alloc.1
1912         // (Also works for arrays instead of structs)
1913         IRBuilder<> Builder(SI);
1914         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1915           Value *Extract = Builder.CreateExtractValue(Val, i, Val->getName());
1916           Builder.CreateStore(Extract, NewElts[i]);
1917         }
1918         DeadInsts.push_back(SI);
1919       } else if (SIType->isIntegerTy() &&
1920                  TD->getTypeAllocSize(SIType) ==
1921                  TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1922         // If this is a store of the entire alloca from an integer, rewrite it.
1923         RewriteStoreUserOfWholeAlloca(SI, AI, NewElts);
1924       }
1925       continue;
1926     }
1927     
1928     if (isa<SelectInst>(User) || isa<PHINode>(User)) {
1929       // If we have a PHI user of the alloca itself (as opposed to a GEP or 
1930       // bitcast) we have to rewrite it.  GEP and bitcast uses will be RAUW'd to
1931       // the new pointer.
1932       if (!isa<AllocaInst>(I)) continue;
1933       
1934       assert(Offset == 0 && NewElts[0] &&
1935              "Direct alloca use should have a zero offset");
1936       
1937       // If we have a use of the alloca, we know the derived uses will be
1938       // utilizing just the first element of the scalarized result.  Insert a
1939       // bitcast of the first alloca before the user as required.
1940       AllocaInst *NewAI = NewElts[0];
1941       BitCastInst *BCI = new BitCastInst(NewAI, AI->getType(), "", NewAI);
1942       NewAI->moveBefore(BCI);
1943       TheUse = BCI;
1944       continue;
1945     }
1946   }
1947 }
1948
1949 /// RewriteBitCast - Update a bitcast reference to the alloca being replaced
1950 /// and recursively continue updating all of its uses.
1951 void SROA::RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1952                           SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1953   RewriteForScalarRepl(BC, AI, Offset, NewElts);
1954   if (BC->getOperand(0) != AI)
1955     return;
1956
1957   // The bitcast references the original alloca.  Replace its uses with
1958   // references to the first new element alloca.
1959   Instruction *Val = NewElts[0];
1960   if (Val->getType() != BC->getDestTy()) {
1961     Val = new BitCastInst(Val, BC->getDestTy(), "", BC);
1962     Val->takeName(BC);
1963   }
1964   BC->replaceAllUsesWith(Val);
1965   DeadInsts.push_back(BC);
1966 }
1967
1968 /// FindElementAndOffset - Return the index of the element containing Offset
1969 /// within the specified type, which must be either a struct or an array.
1970 /// Sets T to the type of the element and Offset to the offset within that
1971 /// element.  IdxTy is set to the type of the index result to be used in a
1972 /// GEP instruction.
1973 uint64_t SROA::FindElementAndOffset(const Type *&T, uint64_t &Offset,
1974                                     const Type *&IdxTy) {
1975   uint64_t Idx = 0;
1976   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1977     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(ST);
1978     Idx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
1979     T = ST->getContainedType(Idx);
1980     Offset -= Layout->getElementOffset(Idx);
1981     IdxTy = Type::getInt32Ty(T->getContext());
1982     return Idx;
1983   }
1984   const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(T);
1985   T = AT->getElementType();
1986   uint64_t EltSize = TD->getTypeAllocSize(T);
1987   Idx = Offset / EltSize;
1988   Offset -= Idx * EltSize;
1989   IdxTy = Type::getInt64Ty(T->getContext());
1990   return Idx;
1991 }
1992
1993 /// RewriteGEP - Check if this GEP instruction moves the pointer across
1994 /// elements of the alloca that are being split apart, and if so, rewrite
1995 /// the GEP to be relative to the new element.
1996 void SROA::RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1997                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1998   uint64_t OldOffset = Offset;
1999   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
2000   Offset += TD->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(),
2001                                  &Indices[0], Indices.size());
2002
2003   RewriteForScalarRepl(GEPI, AI, Offset, NewElts);
2004
2005   const Type *T = AI->getAllocatedType();
2006   const Type *IdxTy;
2007   uint64_t OldIdx = FindElementAndOffset(T, OldOffset, IdxTy);
2008   if (GEPI->getOperand(0) == AI)
2009     OldIdx = ~0ULL; // Force the GEP to be rewritten.
2010
2011   T = AI->getAllocatedType();
2012   uint64_t EltOffset = Offset;
2013   uint64_t Idx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
2014
2015   // If this GEP does not move the pointer across elements of the alloca
2016   // being split, then it does not needs to be rewritten.
2017   if (Idx == OldIdx)
2018     return;
2019
2020   const Type *i32Ty = Type::getInt32Ty(AI->getContext());
2021   SmallVector<Value*, 8> NewArgs;
2022   NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(i32Ty));
2023   while (EltOffset != 0) {
2024     uint64_t EltIdx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
2025     NewArgs.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, EltIdx));
2026   }
2027   Instruction *Val = NewElts[Idx];
2028   if (NewArgs.size() > 1) {
2029     Val = GetElementPtrInst::CreateInBounds(Val, NewArgs.begin(),
2030                                             NewArgs.end(), "", GEPI);
2031     Val->takeName(GEPI);
2032   }
2033   if (Val->getType() != GEPI->getType())
2034     Val = new BitCastInst(Val, GEPI->getType(), Val->getName(), GEPI);
2035   GEPI->replaceAllUsesWith(Val);
2036   DeadInsts.push_back(GEPI);
2037 }
2038
2039 /// RewriteMemIntrinUserOfAlloca - MI is a memcpy/memset/memmove from or to AI.
2040 /// Rewrite it to copy or set the elements of the scalarized memory.
2041 void SROA::RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
2042                                         AllocaInst *AI,
2043                                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
2044   // If this is a memcpy/memmove, construct the other pointer as the
2045   // appropriate type.  The "Other" pointer is the pointer that goes to memory
2046   // that doesn't have anything to do with the alloca that we are promoting. For
2047   // memset, this Value* stays null.
2048   Value *OtherPtr = 0;
2049   unsigned MemAlignment = MI->getAlignment();
2050   if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(MI)) { // memmove/memcopy
2051     if (Inst == MTI->getRawDest())
2052       OtherPtr = MTI->getRawSource();
2053     else {
2054       assert(Inst == MTI->getRawSource());
2055       OtherPtr = MTI->getRawDest();
2056     }
2057   }
2058
2059   // If there is an other pointer, we want to convert it to the same pointer
2060   // type as AI has, so we can GEP through it safely.
2061   if (OtherPtr) {
2062     unsigned AddrSpace =
2063       cast<PointerType>(OtherPtr->getType())->getAddressSpace();
2064
2065     // Remove bitcasts and all-zero GEPs from OtherPtr.  This is an
2066     // optimization, but it's also required to detect the corner case where
2067     // both pointer operands are referencing the same memory, and where
2068     // OtherPtr may be a bitcast or GEP that currently being rewritten.  (This
2069     // function is only called for mem intrinsics that access the whole
2070     // aggregate, so non-zero GEPs are not an issue here.)
2071     OtherPtr = OtherPtr->stripPointerCasts();
2072
2073     // Copying the alloca to itself is a no-op: just delete it.
2074     if (OtherPtr == AI || OtherPtr == NewElts[0]) {
2075       // This code will run twice for a no-op memcpy -- once for each operand.
2076       // Put only one reference to MI on the DeadInsts list.
2077       for (SmallVector<Value*, 32>::const_iterator I = DeadInsts.begin(),
2078              E = DeadInsts.end(); I != E; ++I)
2079         if (*I == MI) return;
2080       DeadInsts.push_back(MI);
2081       return;
2082     }
2083
2084     // If the pointer is not the right type, insert a bitcast to the right
2085     // type.
2086     const Type *NewTy =
2087       PointerType::get(AI->getType()->getElementType(), AddrSpace);
2088
2089     if (OtherPtr->getType() != NewTy)
2090       OtherPtr = new BitCastInst(OtherPtr, NewTy, OtherPtr->getName(), MI);
2091   }
2092
2093   // Process each element of the aggregate.
2094   bool SROADest = MI->getRawDest() == Inst;
2095
2096   Constant *Zero = Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(MI->getContext()));
2097
2098   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2099     // If this is a memcpy/memmove, emit a GEP of the other element address.
2100     Value *OtherElt = 0;
2101     unsigned OtherEltAlign = MemAlignment;
2102
2103     if (OtherPtr) {
2104       Value *Idx[2] = { Zero,
2105                       ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(MI->getContext()), i) };
2106       OtherElt = GetElementPtrInst::CreateInBounds(OtherPtr, Idx, Idx + 2,
2107                                               OtherPtr->getName()+"."+Twine(i),
2108                                                    MI);
2109       uint64_t EltOffset;
2110       const PointerType *OtherPtrTy = cast<PointerType>(OtherPtr->getType());
2111       const Type *OtherTy = OtherPtrTy->getElementType();
2112       if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(OtherTy)) {
2113         EltOffset = TD->getStructLayout(ST)->getElementOffset(i);
2114       } else {
2115         const Type *EltTy = cast<SequentialType>(OtherTy)->getElementType();
2116         EltOffset = TD->getTypeAllocSize(EltTy)*i;
2117       }
2118
2119       // The alignment of the other pointer is the guaranteed alignment of the
2120       // element, which is affected by both the known alignment of the whole
2121       // mem intrinsic and the alignment of the element.  If the alignment of
2122       // the memcpy (f.e.) is 32 but the element is at a 4-byte offset, then the
2123       // known alignment is just 4 bytes.
2124       OtherEltAlign = (unsigned)MinAlign(OtherEltAlign, EltOffset);
2125     }
2126
2127     Value *EltPtr = NewElts[i];
2128     const Type *EltTy = cast<PointerType>(EltPtr->getType())->getElementType();
2129
2130     // If we got down to a scalar, insert a load or store as appropriate.
2131     if (EltTy->isSingleValueType()) {
2132       if (isa<MemTransferInst>(MI)) {
2133         if (SROADest) {
2134           // From Other to Alloca.
2135           Value *Elt = new LoadInst(OtherElt, "tmp", false, OtherEltAlign, MI);
2136           new StoreInst(Elt, EltPtr, MI);
2137         } else {
2138           // From Alloca to Other.
2139           Value *Elt = new LoadInst(EltPtr, "tmp", MI);
2140           new StoreInst(Elt, OtherElt, false, OtherEltAlign, MI);
2141         }
2142         continue;
2143       }
2144       assert(isa<MemSetInst>(MI));
2145
2146       // If the stored element is zero (common case), just store a null
2147       // constant.
2148       Constant *StoreVal;
2149       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getArgOperand(1))) {
2150         if (CI->isZero()) {
2151           StoreVal = Constant::getNullValue(EltTy);  // 0.0, null, 0, <0,0>
2152         } else {
2153           // If EltTy is a vector type, get the element type.
2154           const Type *ValTy = EltTy->getScalarType();
2155
2156           // Construct an integer with the right value.
2157           unsigned EltSize = TD->getTypeSizeInBits(ValTy);
2158           APInt OneVal(EltSize, CI->getZExtValue());
2159           APInt TotalVal(OneVal);
2160           // Set each byte.
2161           for (unsigned i = 0; 8*i < EltSize; ++i) {
2162             TotalVal = TotalVal.shl(8);
2163             TotalVal |= OneVal;
2164           }
2165
2166           // Convert the integer value to the appropriate type.
2167           StoreVal = ConstantInt::get(CI->getContext(), TotalVal);
2168           if (ValTy->isPointerTy())
2169             StoreVal = ConstantExpr::getIntToPtr(StoreVal, ValTy);
2170           else if (ValTy->isFloatingPointTy())
2171             StoreVal = ConstantExpr::getBitCast(StoreVal, ValTy);
2172           assert(StoreVal->getType() == ValTy && "Type mismatch!");
2173
2174           // If the requested value was a vector constant, create it.
2175           if (EltTy != ValTy) {
2176             unsigned NumElts = cast<VectorType>(ValTy)->getNumElements();
2177             SmallVector<Constant*, 16> Elts(NumElts, StoreVal);
2178             StoreVal = ConstantVector::get(Elts);
2179           }
2180         }
2181         new StoreInst(StoreVal, EltPtr, MI);
2182         continue;
2183       }
2184       // Otherwise, if we're storing a byte variable, use a memset call for
2185       // this element.
2186     }
2187
2188     unsigned EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
2189
2190     IRBuilder<> Builder(MI);
2191
2192     // Finally, insert the meminst for this element.
2193     if (isa<MemSetInst>(MI)) {
2194       Builder.CreateMemSet(EltPtr, MI->getArgOperand(1), EltSize,
2195                            MI->isVolatile());
2196     } else {
2197       assert(isa<MemTransferInst>(MI));
2198       Value *Dst = SROADest ? EltPtr : OtherElt;  // Dest ptr
2199       Value *Src = SROADest ? OtherElt : EltPtr;  // Src ptr
2200
2201       if (isa<MemCpyInst>(MI))
2202         Builder.CreateMemCpy(Dst, Src, EltSize, OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2203       else
2204         Builder.CreateMemMove(Dst, Src, EltSize,OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2205     }
2206   }
2207   DeadInsts.push_back(MI);
2208 }
2209
2210 /// RewriteStoreUserOfWholeAlloca - We found a store of an integer that
2211 /// overwrites the entire allocation.  Extract out the pieces of the stored
2212 /// integer and store them individually.
2213 void SROA::RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
2214                                          SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts){
2215   // Extract each element out of the integer according to its structure offset
2216   // and store the element value to the individual alloca.
2217   Value *SrcVal = SI->getOperand(0);
2218   const Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2219   uint64_t AllocaSizeBits = TD->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2220
2221   IRBuilder<> Builder(SI);
2222   
2223   // Handle tail padding by extending the operand
2224   if (TD->getTypeSizeInBits(SrcVal->getType()) != AllocaSizeBits)
2225     SrcVal = Builder.CreateZExt(SrcVal,
2226                             IntegerType::get(SI->getContext(), AllocaSizeBits));
2227
2228   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING STORE TO WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *SI
2229                << '\n');
2230
2231   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2232   // have different ways to compute the element offset.
2233   if (const StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2234     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(EltSTy);
2235
2236     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2237       // Get the number of bits to shift SrcVal to get the value.
2238       const Type *FieldTy = EltSTy->getElementType(i);
2239       uint64_t Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2240
2241       if (TD->isBigEndian())
2242         Shift = AllocaSizeBits-Shift-TD->getTypeAllocSizeInBits(FieldTy);
2243
2244       Value *EltVal = SrcVal;
2245       if (Shift) {
2246         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2247         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2248       }
2249
2250       // Truncate down to an integer of the right size.
2251       uint64_t FieldSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2252
2253       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2254       if (FieldSizeBits == 0) continue;
2255
2256       if (FieldSizeBits != AllocaSizeBits)
2257         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2258                              IntegerType::get(SI->getContext(), FieldSizeBits));
2259       Value *DestField = NewElts[i];
2260       if (EltVal->getType() == FieldTy) {
2261         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2262       } else if (FieldTy->isFloatingPointTy() || FieldTy->isVectorTy()) {
2263         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2264         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, FieldTy);
2265       } else {
2266         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2267         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2268                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2269       }
2270       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2271     }
2272
2273   } else {
2274     const ArrayType *ATy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy);
2275     const Type *ArrayEltTy = ATy->getElementType();
2276     uint64_t ElementOffset = TD->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2277     uint64_t ElementSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(ArrayEltTy);
2278
2279     uint64_t Shift;
2280
2281     if (TD->isBigEndian())
2282       Shift = AllocaSizeBits-ElementOffset;
2283     else
2284       Shift = 0;
2285
2286     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2287       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2288       if (ElementSizeBits == 0) continue;
2289
2290       Value *EltVal = SrcVal;
2291       if (Shift) {
2292         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2293         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2294       }
2295
2296       // Truncate down to an integer of the right size.
2297       if (ElementSizeBits != AllocaSizeBits)
2298         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2299                                      IntegerType::get(SI->getContext(),
2300                                                       ElementSizeBits));
2301       Value *DestField = NewElts[i];
2302       if (EltVal->getType() == ArrayEltTy) {
2303         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2304       } else if (ArrayEltTy->isFloatingPointTy() ||
2305                  ArrayEltTy->isVectorTy()) {
2306         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2307         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, ArrayEltTy);
2308       } else {
2309         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2310         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2311                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2312       }
2313       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2314
2315       if (TD->isBigEndian())
2316         Shift -= ElementOffset;
2317       else
2318         Shift += ElementOffset;
2319     }
2320   }
2321
2322   DeadInsts.push_back(SI);
2323 }
2324
2325 /// RewriteLoadUserOfWholeAlloca - We found a load of the entire allocation to
2326 /// an integer.  Load the individual pieces to form the aggregate value.
2327 void SROA::RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
2328                                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
2329   // Extract each element out of the NewElts according to its structure offset
2330   // and form the result value.
2331   const Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2332   uint64_t AllocaSizeBits = TD->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2333
2334   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING LOAD OF WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *LI
2335                << '\n');
2336
2337   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2338   // have different ways to compute the element offset.
2339   const StructLayout *Layout = 0;
2340   uint64_t ArrayEltBitOffset = 0;
2341   if (const StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2342     Layout = TD->getStructLayout(EltSTy);
2343   } else {
2344     const Type *ArrayEltTy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy)->getElementType();
2345     ArrayEltBitOffset = TD->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2346   }
2347
2348   Value *ResultVal =
2349     Constant::getNullValue(IntegerType::get(LI->getContext(), AllocaSizeBits));
2350
2351   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2352     // Load the value from the alloca.  If the NewElt is an aggregate, cast
2353     // the pointer to an integer of the same size before doing the load.
2354     Value *SrcField = NewElts[i];
2355     const Type *FieldTy =
2356       cast<PointerType>(SrcField->getType())->getElementType();
2357     uint64_t FieldSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2358
2359     // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2360     if (FieldSizeBits == 0) continue;
2361
2362     const IntegerType *FieldIntTy = IntegerType::get(LI->getContext(),
2363                                                      FieldSizeBits);
2364     if (!FieldTy->isIntegerTy() && !FieldTy->isFloatingPointTy() &&
2365         !FieldTy->isVectorTy())
2366       SrcField = new BitCastInst(SrcField,
2367                                  PointerType::getUnqual(FieldIntTy),
2368                                  "", LI);
2369     SrcField = new LoadInst(SrcField, "sroa.load.elt", LI);
2370
2371     // If SrcField is a fp or vector of the right size but that isn't an
2372     // integer type, bitcast to an integer so we can shift it.
2373     if (SrcField->getType() != FieldIntTy)
2374       SrcField = new BitCastInst(SrcField, FieldIntTy, "", LI);
2375
2376     // Zero extend the field to be the same size as the final alloca so that
2377     // we can shift and insert it.
2378     if (SrcField->getType() != ResultVal->getType())
2379       SrcField = new ZExtInst(SrcField, ResultVal->getType(), "", LI);
2380
2381     // Determine the number of bits to shift SrcField.
2382     uint64_t Shift;
2383     if (Layout) // Struct case.
2384       Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2385     else  // Array case.
2386       Shift = i*ArrayEltBitOffset;
2387
2388     if (TD->isBigEndian())
2389       Shift = AllocaSizeBits-Shift-FieldIntTy->getBitWidth();
2390
2391     if (Shift) {
2392       Value *ShiftVal = ConstantInt::get(SrcField->getType(), Shift);
2393       SrcField = BinaryOperator::CreateShl(SrcField, ShiftVal, "", LI);
2394     }
2395
2396     // Don't create an 'or x, 0' on the first iteration.
2397     if (!isa<Constant>(ResultVal) ||
2398         !cast<Constant>(ResultVal)->isNullValue())
2399       ResultVal = BinaryOperator::CreateOr(SrcField, ResultVal, "", LI);
2400     else
2401       ResultVal = SrcField;
2402   }
2403
2404   // Handle tail padding by truncating the result
2405   if (TD->getTypeSizeInBits(LI->getType()) != AllocaSizeBits)
2406     ResultVal = new TruncInst(ResultVal, LI->getType(), "", LI);
2407
2408   LI->replaceAllUsesWith(ResultVal);
2409   DeadInsts.push_back(LI);
2410 }
2411
2412 /// HasPadding - Return true if the specified type has any structure or
2413 /// alignment padding in between the elements that would be split apart
2414 /// by SROA; return false otherwise.
2415 static bool HasPadding(const Type *Ty, const TargetData &TD) {
2416   if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
2417     Ty = ATy->getElementType();
2418     return TD.getTypeSizeInBits(Ty) != TD.getTypeAllocSizeInBits(Ty);
2419   }
2420
2421   // SROA currently handles only Arrays and Structs.
2422   const StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
2423   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2424   unsigned PrevFieldBitOffset = 0;
2425   for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
2426     unsigned FieldBitOffset = SL->getElementOffsetInBits(i);
2427
2428     // Check to see if there is any padding between this element and the
2429     // previous one.
2430     if (i) {
2431       unsigned PrevFieldEnd =
2432         PrevFieldBitOffset+TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(i-1));
2433       if (PrevFieldEnd < FieldBitOffset)
2434         return true;
2435     }
2436     PrevFieldBitOffset = FieldBitOffset;
2437   }
2438   // Check for tail padding.
2439   if (unsigned EltCount = STy->getNumElements()) {
2440     unsigned PrevFieldEnd = PrevFieldBitOffset +
2441       TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(EltCount-1));
2442     if (PrevFieldEnd < SL->getSizeInBits())
2443       return true;
2444   }
2445   return false;
2446 }
2447
2448 /// isSafeStructAllocaToScalarRepl - Check to see if the specified allocation of
2449 /// an aggregate can be broken down into elements.  Return 0 if not, 3 if safe,
2450 /// or 1 if safe after canonicalization has been performed.
2451 bool SROA::isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI) {
2452   // Loop over the use list of the alloca.  We can only transform it if all of
2453   // the users are safe to transform.
2454   AllocaInfo Info(AI);
2455
2456   isSafeForScalarRepl(AI, 0, Info);
2457   if (Info.isUnsafe) {
2458     DEBUG(dbgs() << "Cannot transform: " << *AI << '\n');
2459     return false;
2460   }
2461
2462   // Okay, we know all the users are promotable.  If the aggregate is a memcpy
2463   // source and destination, we have to be careful.  In particular, the memcpy
2464   // could be moving around elements that live in structure padding of the LLVM
2465   // types, but may actually be used.  In these cases, we refuse to promote the
2466   // struct.
2467   if (Info.isMemCpySrc && Info.isMemCpyDst &&
2468       HasPadding(AI->getAllocatedType(), *TD))
2469     return false;
2470
2471   // If the alloca never has an access to just *part* of it, but is accessed
2472   // via loads and stores, then we should use ConvertToScalarInfo to promote
2473   // the alloca instead of promoting each piece at a time and inserting fission
2474   // and fusion code.
2475   if (!Info.hasSubelementAccess && Info.hasALoadOrStore) {
2476     // If the struct/array just has one element, use basic SRoA.
2477     if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
2478       if (ST->getNumElements() > 1) return false;
2479     } else {
2480       if (cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType())->getNumElements() > 1)
2481         return false;
2482     }
2483   }
2484   
2485   return true;
2486 }
2487
2488
2489
2490 /// PointsToConstantGlobal - Return true if V (possibly indirectly) points to
2491 /// some part of a constant global variable.  This intentionally only accepts
2492 /// constant expressions because we don't can't rewrite arbitrary instructions.
2493 static bool PointsToConstantGlobal(Value *V) {
2494   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
2495     return GV->isConstant();
2496   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
2497     if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast ||
2498         CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
2499       return PointsToConstantGlobal(CE->getOperand(0));
2500   return false;
2501 }
2502
2503 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Recursively walk the uses of a (derived)
2504 /// pointer to an alloca.  Ignore any reads of the pointer, return false if we
2505 /// see any stores or other unknown uses.  If we see pointer arithmetic, keep
2506 /// track of whether it moves the pointer (with isOffset) but otherwise traverse
2507 /// the uses.  If we see a memcpy/memmove that targets an unoffseted pointer to
2508 /// the alloca, and if the source pointer is a pointer to a constant global, we
2509 /// can optimize this.
2510 static bool isOnlyCopiedFromConstantGlobal(Value *V, MemTransferInst *&TheCopy,
2511                                            bool isOffset) {
2512   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
2513     User *U = cast<Instruction>(*UI);
2514
2515     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
2516       // Ignore non-volatile loads, they are always ok.
2517       if (LI->isVolatile()) return false;
2518       continue;
2519     }
2520
2521     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
2522       // If uses of the bitcast are ok, we are ok.
2523       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(BCI, TheCopy, isOffset))
2524         return false;
2525       continue;
2526     }
2527     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
2528       // If the GEP has all zero indices, it doesn't offset the pointer.  If it
2529       // doesn't, it does.
2530       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(GEP, TheCopy,
2531                                          isOffset || !GEP->hasAllZeroIndices()))
2532         return false;
2533       continue;
2534     }
2535
2536     if (CallSite CS = U) {
2537       // If this is the function being called then we treat it like a load and
2538       // ignore it.
2539       if (CS.isCallee(UI))
2540         continue;
2541
2542       // If this is a readonly/readnone call site, then we know it is just a
2543       // load (but one that potentially returns the value itself), so we can
2544       // ignore it if we know that the value isn't captured.
2545       unsigned ArgNo = CS.getArgumentNo(UI);
2546       if (CS.onlyReadsMemory() &&
2547           (CS.getInstruction()->use_empty() ||
2548            CS.paramHasAttr(ArgNo+1, Attribute::NoCapture)))
2549         continue;
2550
2551       // If this is being passed as a byval argument, the caller is making a
2552       // copy, so it is only a read of the alloca.
2553       if (CS.paramHasAttr(ArgNo+1, Attribute::ByVal))
2554         continue;
2555     }
2556
2557     // If this is isn't our memcpy/memmove, reject it as something we can't
2558     // handle.
2559     MemTransferInst *MI = dyn_cast<MemTransferInst>(U);
2560     if (MI == 0)
2561       return false;
2562
2563     // If the transfer is using the alloca as a source of the transfer, then
2564     // ignore it since it is a load (unless the transfer is volatile).
2565     if (UI.getOperandNo() == 1) {
2566       if (MI->isVolatile()) return false;
2567       continue;
2568     }
2569
2570     // If we already have seen a copy, reject the second one.
2571     if (TheCopy) return false;
2572
2573     // If the pointer has been offset from the start of the alloca, we can't
2574     // safely handle this.
2575     if (isOffset) return false;
2576
2577     // If the memintrinsic isn't using the alloca as the dest, reject it.
2578     if (UI.getOperandNo() != 0) return false;
2579
2580     // If the source of the memcpy/move is not a constant global, reject it.
2581     if (!PointsToConstantGlobal(MI->getSource()))
2582       return false;
2583
2584     // Otherwise, the transform is safe.  Remember the copy instruction.
2585     TheCopy = MI;
2586   }
2587   return true;
2588 }
2589
2590 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Return true if the specified alloca is only
2591 /// modified by a copy from a constant global.  If we can prove this, we can
2592 /// replace any uses of the alloca with uses of the global directly.
2593 MemTransferInst *SROA::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI) {
2594   MemTransferInst *TheCopy = 0;
2595   if (::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI, TheCopy, false))
2596     return TheCopy;
2597   return 0;
2598 }