[C++] Use 'nullptr'. Transforms edition.
[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 they
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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
24 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
25 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
26 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
27 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
28 #include "llvm/IR/CallSite.h"
29 #include "llvm/IR/Constants.h"
30 #include "llvm/IR/DIBuilder.h"
31 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
32 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
33 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
34 #include "llvm/IR/Dominators.h"
35 #include "llvm/IR/Function.h"
36 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
37 #include "llvm/IR/GlobalVariable.h"
38 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
39 #include "llvm/IR/Instructions.h"
40 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
41 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
42 #include "llvm/IR/Module.h"
43 #include "llvm/IR/Operator.h"
44 #include "llvm/Pass.h"
45 #include "llvm/Support/Debug.h"
46 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
47 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
51 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
52 using namespace llvm;
53
54 #define DEBUG_TYPE "scalarrepl"
55
56 STATISTIC(NumReplaced,  "Number of allocas broken up");
57 STATISTIC(NumPromoted,  "Number of allocas promoted");
58 STATISTIC(NumAdjusted,  "Number of scalar allocas adjusted to allow promotion");
59 STATISTIC(NumConverted, "Number of aggregates converted to scalar");
60
61 namespace {
62   struct SROA : public FunctionPass {
63     SROA(int T, bool hasDT, char &ID, int ST, int AT, int SLT)
64       : FunctionPass(ID), HasDomTree(hasDT) {
65       if (T == -1)
66         SRThreshold = 128;
67       else
68         SRThreshold = T;
69       if (ST == -1)
70         StructMemberThreshold = 32;
71       else
72         StructMemberThreshold = ST;
73       if (AT == -1)
74         ArrayElementThreshold = 8;
75       else
76         ArrayElementThreshold = AT;
77       if (SLT == -1)
78         // Do not limit the scalar integer load size if no threshold is given.
79         ScalarLoadThreshold = -1;
80       else
81         ScalarLoadThreshold = SLT;
82     }
83
84     bool runOnFunction(Function &F) override;
85
86     bool performScalarRepl(Function &F);
87     bool performPromotion(Function &F);
88
89   private:
90     bool HasDomTree;
91     const DataLayout *DL;
92
93     /// DeadInsts - Keep track of instructions we have made dead, so that
94     /// we can remove them after we are done working.
95     SmallVector<Value*, 32> DeadInsts;
96
97     /// AllocaInfo - When analyzing uses of an alloca instruction, this captures
98     /// information about the uses.  All these fields are initialized to false
99     /// and set to true when something is learned.
100     struct AllocaInfo {
101       /// The alloca to promote.
102       AllocaInst *AI;
103
104       /// CheckedPHIs - This is a set of verified PHI nodes, to prevent infinite
105       /// looping and avoid redundant work.
106       SmallPtrSet<PHINode*, 8> CheckedPHIs;
107
108       /// isUnsafe - This is set to true if the alloca cannot be SROA'd.
109       bool isUnsafe : 1;
110
111       /// isMemCpySrc - This is true if this aggregate is memcpy'd from.
112       bool isMemCpySrc : 1;
113
114       /// isMemCpyDst - This is true if this aggregate is memcpy'd into.
115       bool isMemCpyDst : 1;
116
117       /// hasSubelementAccess - This is true if a subelement of the alloca is
118       /// ever accessed, or false if the alloca is only accessed with mem
119       /// intrinsics or load/store that only access the entire alloca at once.
120       bool hasSubelementAccess : 1;
121
122       /// hasALoadOrStore - This is true if there are any loads or stores to it.
123       /// The alloca may just be accessed with memcpy, for example, which would
124       /// not set this.
125       bool hasALoadOrStore : 1;
126
127       explicit AllocaInfo(AllocaInst *ai)
128         : AI(ai), isUnsafe(false), isMemCpySrc(false), isMemCpyDst(false),
129           hasSubelementAccess(false), hasALoadOrStore(false) {}
130     };
131
132     /// SRThreshold - The maximum alloca size to considered for SROA.
133     unsigned SRThreshold;
134
135     /// StructMemberThreshold - The maximum number of members a struct can
136     /// contain to be considered for SROA.
137     unsigned StructMemberThreshold;
138
139     /// ArrayElementThreshold - The maximum number of elements an array can
140     /// have to be considered for SROA.
141     unsigned ArrayElementThreshold;
142
143     /// ScalarLoadThreshold - The maximum size in bits of scalars to load when
144     /// converting to scalar
145     unsigned ScalarLoadThreshold;
146
147     void MarkUnsafe(AllocaInfo &I, Instruction *User) {
148       I.isUnsafe = true;
149       DEBUG(dbgs() << "  Transformation preventing inst: " << *User << '\n');
150     }
151
152     bool isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI);
153
154     void isSafeForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset, AllocaInfo &Info);
155     void isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *User, uint64_t Offset,
156                                          AllocaInfo &Info);
157     void isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI, uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info);
158     void isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
159                          Type *MemOpType, bool isStore, AllocaInfo &Info,
160                          Instruction *TheAccess, bool AllowWholeAccess);
161     bool TypeHasComponent(Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size);
162     uint64_t FindElementAndOffset(Type *&T, uint64_t &Offset,
163                                   Type *&IdxTy);
164
165     void DoScalarReplacement(AllocaInst *AI,
166                              std::vector<AllocaInst*> &WorkList);
167     void DeleteDeadInstructions();
168
169     void RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
170                               SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
171     void RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
172                         SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
173     void RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
174                     SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
175     void RewriteLifetimeIntrinsic(IntrinsicInst *II, AllocaInst *AI,
176                                   uint64_t Offset,
177                                   SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
178     void RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
179                                       AllocaInst *AI,
180                                       SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
181     void RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
182                                        SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
183     void RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
184                                       SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts);
185     bool ShouldAttemptScalarRepl(AllocaInst *AI);
186   };
187
188   // SROA_DT - SROA that uses DominatorTree.
189   struct SROA_DT : public SROA {
190     static char ID;
191   public:
192     SROA_DT(int T = -1, int ST = -1, int AT = -1, int SLT = -1) :
193         SROA(T, true, ID, ST, AT, SLT) {
194       initializeSROA_DTPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
195     }
196
197     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
198     // will not alter the CFG, so say so.
199     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
200       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
201       AU.setPreservesCFG();
202     }
203   };
204
205   // SROA_SSAUp - SROA that uses SSAUpdater.
206   struct SROA_SSAUp : public SROA {
207     static char ID;
208   public:
209     SROA_SSAUp(int T = -1, int ST = -1, int AT = -1, int SLT = -1) :
210         SROA(T, false, ID, ST, AT, SLT) {
211       initializeSROA_SSAUpPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
212     }
213
214     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
215     // will not alter the CFG, so say so.
216     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
217       AU.setPreservesCFG();
218     }
219   };
220
221 }
222
223 char SROA_DT::ID = 0;
224 char SROA_SSAUp::ID = 0;
225
226 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_DT, "scalarrepl",
227                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
228 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
229 INITIALIZE_PASS_END(SROA_DT, "scalarrepl",
230                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
231
232 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
233                       "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
234 INITIALIZE_PASS_END(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
235                     "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
236
237 // Public interface to the ScalarReplAggregates pass
238 FunctionPass *llvm::createScalarReplAggregatesPass(int Threshold,
239                                                    bool UseDomTree,
240                                                    int StructMemberThreshold,
241                                                    int ArrayElementThreshold,
242                                                    int ScalarLoadThreshold) {
243   if (UseDomTree)
244     return new SROA_DT(Threshold, StructMemberThreshold, ArrayElementThreshold,
245                        ScalarLoadThreshold);
246   return new SROA_SSAUp(Threshold, StructMemberThreshold,
247                         ArrayElementThreshold, ScalarLoadThreshold);
248 }
249
250
251 //===----------------------------------------------------------------------===//
252 // Convert To Scalar Optimization.
253 //===----------------------------------------------------------------------===//
254
255 namespace {
256 /// ConvertToScalarInfo - This class implements the "Convert To Scalar"
257 /// optimization, which scans the uses of an alloca and determines if it can
258 /// rewrite it in terms of a single new alloca that can be mem2reg'd.
259 class ConvertToScalarInfo {
260   /// AllocaSize - The size of the alloca being considered in bytes.
261   unsigned AllocaSize;
262   const DataLayout &DL;
263   unsigned ScalarLoadThreshold;
264
265   /// IsNotTrivial - This is set to true if there is some access to the object
266   /// which means that mem2reg can't promote it.
267   bool IsNotTrivial;
268
269   /// ScalarKind - Tracks the kind of alloca being considered for promotion,
270   /// computed based on the uses of the alloca rather than the LLVM type system.
271   enum {
272     Unknown,
273
274     // Accesses via GEPs that are consistent with element access of a vector
275     // type. This will not be converted into a vector unless there is a later
276     // access using an actual vector type.
277     ImplicitVector,
278
279     // Accesses via vector operations and GEPs that are consistent with the
280     // layout of a vector type.
281     Vector,
282
283     // An integer bag-of-bits with bitwise operations for insertion and
284     // extraction. Any combination of types can be converted into this kind
285     // of scalar.
286     Integer
287   } ScalarKind;
288
289   /// VectorTy - This tracks the type that we should promote the vector to if
290   /// it is possible to turn it into a vector.  This starts out null, and if it
291   /// isn't possible to turn into a vector type, it gets set to VoidTy.
292   VectorType *VectorTy;
293
294   /// HadNonMemTransferAccess - True if there is at least one access to the
295   /// alloca that is not a MemTransferInst.  We don't want to turn structs into
296   /// large integers unless there is some potential for optimization.
297   bool HadNonMemTransferAccess;
298
299   /// HadDynamicAccess - True if some element of this alloca was dynamic.
300   /// We don't yet have support for turning a dynamic access into a large
301   /// integer.
302   bool HadDynamicAccess;
303
304 public:
305   explicit ConvertToScalarInfo(unsigned Size, const DataLayout &DL,
306                                unsigned SLT)
307     : AllocaSize(Size), DL(DL), ScalarLoadThreshold(SLT), IsNotTrivial(false),
308     ScalarKind(Unknown), VectorTy(nullptr), HadNonMemTransferAccess(false),
309     HadDynamicAccess(false) { }
310
311   AllocaInst *TryConvert(AllocaInst *AI);
312
313 private:
314   bool CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset, Value* NonConstantIdx);
315   void MergeInTypeForLoadOrStore(Type *In, uint64_t Offset);
316   bool MergeInVectorType(VectorType *VInTy, uint64_t Offset);
317   void ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, uint64_t Offset,
318                            Value *NonConstantIdx);
319
320   Value *ConvertScalar_ExtractValue(Value *NV, Type *ToType,
321                                     uint64_t Offset, Value* NonConstantIdx,
322                                     IRBuilder<> &Builder);
323   Value *ConvertScalar_InsertValue(Value *StoredVal, Value *ExistingVal,
324                                    uint64_t Offset, Value* NonConstantIdx,
325                                    IRBuilder<> &Builder);
326 };
327 } // end anonymous namespace.
328
329
330 /// TryConvert - Analyze the specified alloca, and if it is safe to do so,
331 /// rewrite it to be a new alloca which is mem2reg'able.  This returns the new
332 /// alloca if possible or null if not.
333 AllocaInst *ConvertToScalarInfo::TryConvert(AllocaInst *AI) {
334   // If we can't convert this scalar, or if mem2reg can trivially do it, bail
335   // out.
336   if (!CanConvertToScalar(AI, 0, nullptr) || !IsNotTrivial)
337     return nullptr;
338
339   // If an alloca has only memset / memcpy uses, it may still have an Unknown
340   // ScalarKind. Treat it as an Integer below.
341   if (ScalarKind == Unknown)
342     ScalarKind = Integer;
343
344   if (ScalarKind == Vector && VectorTy->getBitWidth() != AllocaSize * 8)
345     ScalarKind = Integer;
346
347   // If we were able to find a vector type that can handle this with
348   // insert/extract elements, and if there was at least one use that had
349   // a vector type, promote this to a vector.  We don't want to promote
350   // random stuff that doesn't use vectors (e.g. <9 x double>) because then
351   // we just get a lot of insert/extracts.  If at least one vector is
352   // involved, then we probably really do have a union of vector/array.
353   Type *NewTy;
354   if (ScalarKind == Vector) {
355     assert(VectorTy && "Missing type for vector scalar.");
356     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO VECTOR: " << *AI << "\n  TYPE = "
357           << *VectorTy << '\n');
358     NewTy = VectorTy;  // Use the vector type.
359   } else {
360     unsigned BitWidth = AllocaSize * 8;
361
362     // Do not convert to scalar integer if the alloca size exceeds the
363     // scalar load threshold.
364     if (BitWidth > ScalarLoadThreshold)
365       return nullptr;
366
367     if ((ScalarKind == ImplicitVector || ScalarKind == Integer) &&
368         !HadNonMemTransferAccess && !DL.fitsInLegalInteger(BitWidth))
369       return nullptr;
370     // Dynamic accesses on integers aren't yet supported.  They need us to shift
371     // by a dynamic amount which could be difficult to work out as we might not
372     // know whether to use a left or right shift.
373     if (ScalarKind == Integer && HadDynamicAccess)
374       return nullptr;
375
376     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO SCALAR INTEGER: " << *AI << "\n");
377     // Create and insert the integer alloca.
378     NewTy = IntegerType::get(AI->getContext(), BitWidth);
379   }
380   AllocaInst *NewAI = new AllocaInst(NewTy, nullptr, "",
381                                      AI->getParent()->begin());
382   ConvertUsesToScalar(AI, NewAI, 0, nullptr);
383   return NewAI;
384 }
385
386 /// MergeInTypeForLoadOrStore - Add the 'In' type to the accumulated vector type
387 /// (VectorTy) so far at the offset specified by Offset (which is specified in
388 /// bytes).
389 ///
390 /// There are two cases we handle here:
391 ///   1) A union of vector types of the same size and potentially its elements.
392 ///      Here we turn element accesses into insert/extract element operations.
393 ///      This promotes a <4 x float> with a store of float to the third element
394 ///      into a <4 x float> that uses insert element.
395 ///   2) A fully general blob of memory, which we turn into some (potentially
396 ///      large) integer type with extract and insert operations where the loads
397 ///      and stores would mutate the memory.  We mark this by setting VectorTy
398 ///      to VoidTy.
399 void ConvertToScalarInfo::MergeInTypeForLoadOrStore(Type *In,
400                                                     uint64_t Offset) {
401   // If we already decided to turn this into a blob of integer memory, there is
402   // nothing to be done.
403   if (ScalarKind == Integer)
404     return;
405
406   // If this could be contributing to a vector, analyze it.
407
408   // If the In type is a vector that is the same size as the alloca, see if it
409   // matches the existing VecTy.
410   if (VectorType *VInTy = dyn_cast<VectorType>(In)) {
411     if (MergeInVectorType(VInTy, Offset))
412       return;
413   } else if (In->isFloatTy() || In->isDoubleTy() ||
414              (In->isIntegerTy() && In->getPrimitiveSizeInBits() >= 8 &&
415               isPowerOf2_32(In->getPrimitiveSizeInBits()))) {
416     // Full width accesses can be ignored, because they can always be turned
417     // into bitcasts.
418     unsigned EltSize = In->getPrimitiveSizeInBits()/8;
419     if (EltSize == AllocaSize)
420       return;
421
422     // If we're accessing something that could be an element of a vector, see
423     // if the implied vector agrees with what we already have and if Offset is
424     // compatible with it.
425     if (Offset % EltSize == 0 && AllocaSize % EltSize == 0 &&
426         (!VectorTy || EltSize == VectorTy->getElementType()
427                                          ->getPrimitiveSizeInBits()/8)) {
428       if (!VectorTy) {
429         ScalarKind = ImplicitVector;
430         VectorTy = VectorType::get(In, AllocaSize/EltSize);
431       }
432       return;
433     }
434   }
435
436   // Otherwise, we have a case that we can't handle with an optimized vector
437   // form.  We can still turn this into a large integer.
438   ScalarKind = Integer;
439 }
440
441 /// MergeInVectorType - Handles the vector case of MergeInTypeForLoadOrStore,
442 /// returning true if the type was successfully merged and false otherwise.
443 bool ConvertToScalarInfo::MergeInVectorType(VectorType *VInTy,
444                                             uint64_t Offset) {
445   if (VInTy->getBitWidth()/8 == AllocaSize && Offset == 0) {
446     // If we're storing/loading a vector of the right size, allow it as a
447     // vector.  If this the first vector we see, remember the type so that
448     // we know the element size. If this is a subsequent access, ignore it
449     // even if it is a differing type but the same size. Worst case we can
450     // bitcast the resultant vectors.
451     if (!VectorTy)
452       VectorTy = VInTy;
453     ScalarKind = Vector;
454     return true;
455   }
456
457   return false;
458 }
459
460 /// CanConvertToScalar - V is a pointer.  If we can convert the pointee and all
461 /// its accesses to a single vector type, return true and set VecTy to
462 /// the new type.  If we could convert the alloca into a single promotable
463 /// integer, return true but set VecTy to VoidTy.  Further, if the use is not a
464 /// completely trivial use that mem2reg could promote, set IsNotTrivial.  Offset
465 /// is the current offset from the base of the alloca being analyzed.
466 ///
467 /// If we see at least one access to the value that is as a vector type, set the
468 /// SawVec flag.
469 bool ConvertToScalarInfo::CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset,
470                                              Value* NonConstantIdx) {
471   for (User *U : V->users()) {
472     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
473
474     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
475       // Don't break volatile loads.
476       if (!LI->isSimple())
477         return false;
478       // Don't touch MMX operations.
479       if (LI->getType()->isX86_MMXTy())
480         return false;
481       HadNonMemTransferAccess = true;
482       MergeInTypeForLoadOrStore(LI->getType(), Offset);
483       continue;
484     }
485
486     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
487       // Storing the pointer, not into the value?
488       if (SI->getOperand(0) == V || !SI->isSimple()) return false;
489       // Don't touch MMX operations.
490       if (SI->getOperand(0)->getType()->isX86_MMXTy())
491         return false;
492       HadNonMemTransferAccess = true;
493       MergeInTypeForLoadOrStore(SI->getOperand(0)->getType(), Offset);
494       continue;
495     }
496
497     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(UI)) {
498       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
499         IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
500       if (!CanConvertToScalar(BCI, Offset, NonConstantIdx))
501         return false;
502       continue;
503     }
504
505     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
506       // If this is a GEP with a variable indices, we can't handle it.
507       PointerType* PtrTy = dyn_cast<PointerType>(GEP->getPointerOperandType());
508       if (!PtrTy)
509         return false;
510
511       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
512       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
513       Value *GEPNonConstantIdx = nullptr;
514       if (!GEP->hasAllConstantIndices()) {
515         if (!isa<VectorType>(PtrTy->getElementType()))
516           return false;
517         if (NonConstantIdx)
518           return false;
519         GEPNonConstantIdx = Indices.pop_back_val();
520         if (!GEPNonConstantIdx->getType()->isIntegerTy(32))
521           return false;
522         HadDynamicAccess = true;
523       } else
524         GEPNonConstantIdx = NonConstantIdx;
525       uint64_t GEPOffset = DL.getIndexedOffset(PtrTy,
526                                                Indices);
527       // See if all uses can be converted.
528       if (!CanConvertToScalar(GEP, Offset+GEPOffset, GEPNonConstantIdx))
529         return false;
530       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
531       HadNonMemTransferAccess = true;
532       continue;
533     }
534
535     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
536     // handle it.
537     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(UI)) {
538       // Store to dynamic index.
539       if (NonConstantIdx)
540         return false;
541       // Store of constant value.
542       if (!isa<ConstantInt>(MSI->getValue()))
543         return false;
544
545       // Store of constant size.
546       ConstantInt *Len = dyn_cast<ConstantInt>(MSI->getLength());
547       if (!Len)
548         return false;
549
550       // If the size differs from the alloca, we can only convert the alloca to
551       // an integer bag-of-bits.
552       // FIXME: This should handle all of the cases that are currently accepted
553       // as vector element insertions.
554       if (Len->getZExtValue() != AllocaSize || Offset != 0)
555         ScalarKind = Integer;
556
557       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
558       HadNonMemTransferAccess = true;
559       continue;
560     }
561
562     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
563     // can handle it like a load or store of the scalar type.
564     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(UI)) {
565       // Store to dynamic index.
566       if (NonConstantIdx)
567         return false;
568       ConstantInt *Len = dyn_cast<ConstantInt>(MTI->getLength());
569       if (!Len || Len->getZExtValue() != AllocaSize || Offset != 0)
570         return false;
571
572       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
573       continue;
574     }
575
576     // If this is a lifetime intrinsic, we can handle it.
577     if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(UI)) {
578       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
579           II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
580         continue;
581       }
582     }
583
584     // Otherwise, we cannot handle this!
585     return false;
586   }
587
588   return true;
589 }
590
591 /// ConvertUsesToScalar - Convert all of the users of Ptr to use the new alloca
592 /// directly.  This happens when we are converting an "integer union" to a
593 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
594 /// vector with insert/extractelement instructions.
595 ///
596 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
597 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
598 void ConvertToScalarInfo::ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI,
599                                               uint64_t Offset,
600                                               Value* NonConstantIdx) {
601   while (!Ptr->use_empty()) {
602     Instruction *User = cast<Instruction>(Ptr->user_back());
603
604     if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
605       ConvertUsesToScalar(CI, NewAI, Offset, NonConstantIdx);
606       CI->eraseFromParent();
607       continue;
608     }
609
610     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
611       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
612       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
613       Value* GEPNonConstantIdx = nullptr;
614       if (!GEP->hasAllConstantIndices()) {
615         assert(!NonConstantIdx &&
616                "Dynamic GEP reading from dynamic GEP unsupported");
617         GEPNonConstantIdx = Indices.pop_back_val();
618       } else
619         GEPNonConstantIdx = NonConstantIdx;
620       uint64_t GEPOffset = DL.getIndexedOffset(GEP->getPointerOperandType(),
621                                                Indices);
622       ConvertUsesToScalar(GEP, NewAI, Offset+GEPOffset*8, GEPNonConstantIdx);
623       GEP->eraseFromParent();
624       continue;
625     }
626
627     IRBuilder<> Builder(User);
628
629     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
630       // The load is a bit extract from NewAI shifted right by Offset bits.
631       Value *LoadedVal = Builder.CreateLoad(NewAI);
632       Value *NewLoadVal
633         = ConvertScalar_ExtractValue(LoadedVal, LI->getType(), Offset,
634                                      NonConstantIdx, Builder);
635       LI->replaceAllUsesWith(NewLoadVal);
636       LI->eraseFromParent();
637       continue;
638     }
639
640     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
641       assert(SI->getOperand(0) != Ptr && "Consistency error!");
642       Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
643       Value *New = ConvertScalar_InsertValue(SI->getOperand(0), Old, Offset,
644                                              NonConstantIdx, Builder);
645       Builder.CreateStore(New, NewAI);
646       SI->eraseFromParent();
647
648       // If the load we just inserted is now dead, then the inserted store
649       // overwrote the entire thing.
650       if (Old->use_empty())
651         Old->eraseFromParent();
652       continue;
653     }
654
655     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
656     // transform it into a store of the expanded constant value.
657     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(User)) {
658       assert(MSI->getRawDest() == Ptr && "Consistency error!");
659       assert(!NonConstantIdx && "Cannot replace dynamic memset with insert");
660       int64_t SNumBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getSExtValue();
661       if (SNumBytes > 0 && (SNumBytes >> 32) == 0) {
662         unsigned NumBytes = static_cast<unsigned>(SNumBytes);
663         unsigned Val = cast<ConstantInt>(MSI->getValue())->getZExtValue();
664
665         // Compute the value replicated the right number of times.
666         APInt APVal(NumBytes*8, Val);
667
668         // Splat the value if non-zero.
669         if (Val)
670           for (unsigned i = 1; i != NumBytes; ++i)
671             APVal |= APVal << 8;
672
673         Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
674         Value *New = ConvertScalar_InsertValue(
675                                     ConstantInt::get(User->getContext(), APVal),
676                                                Old, Offset, nullptr, Builder);
677         Builder.CreateStore(New, NewAI);
678
679         // If the load we just inserted is now dead, then the memset overwrote
680         // the entire thing.
681         if (Old->use_empty())
682           Old->eraseFromParent();
683       }
684       MSI->eraseFromParent();
685       continue;
686     }
687
688     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
689     // can handle it like a load or store of the scalar type.
690     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(User)) {
691       assert(Offset == 0 && "must be store to start of alloca");
692       assert(!NonConstantIdx && "Cannot replace dynamic transfer with insert");
693
694       // If the source and destination are both to the same alloca, then this is
695       // a noop copy-to-self, just delete it.  Otherwise, emit a load and store
696       // as appropriate.
697       AllocaInst *OrigAI = cast<AllocaInst>(GetUnderlyingObject(Ptr, &DL, 0));
698
699       if (GetUnderlyingObject(MTI->getSource(), &DL, 0) != OrigAI) {
700         // Dest must be OrigAI, change this to be a load from the original
701         // pointer (bitcasted), then a store to our new alloca.
702         assert(MTI->getRawDest() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
703         Value *SrcPtr = MTI->getSource();
704         PointerType* SPTy = cast<PointerType>(SrcPtr->getType());
705         PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
706         if (SPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
707           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
708                                    SPTy->getAddressSpace());
709         }
710         SrcPtr = Builder.CreateBitCast(SrcPtr, AIPTy);
711
712         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(SrcPtr, "srcval");
713         SrcVal->setAlignment(MTI->getAlignment());
714         Builder.CreateStore(SrcVal, NewAI);
715       } else if (GetUnderlyingObject(MTI->getDest(), &DL, 0) != OrigAI) {
716         // Src must be OrigAI, change this to be a load from NewAI then a store
717         // through the original dest pointer (bitcasted).
718         assert(MTI->getRawSource() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
719         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(NewAI, "srcval");
720
721         PointerType* DPTy = cast<PointerType>(MTI->getDest()->getType());
722         PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
723         if (DPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
724           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
725                                    DPTy->getAddressSpace());
726         }
727         Value *DstPtr = Builder.CreateBitCast(MTI->getDest(), AIPTy);
728
729         StoreInst *NewStore = Builder.CreateStore(SrcVal, DstPtr);
730         NewStore->setAlignment(MTI->getAlignment());
731       } else {
732         // Noop transfer. Src == Dst
733       }
734
735       MTI->eraseFromParent();
736       continue;
737     }
738
739     if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(User)) {
740       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
741           II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
742         // There's no need to preserve these, as the resulting alloca will be
743         // converted to a register anyways.
744         II->eraseFromParent();
745         continue;
746       }
747     }
748
749     llvm_unreachable("Unsupported operation!");
750   }
751 }
752
753 /// ConvertScalar_ExtractValue - Extract a value of type ToType from an integer
754 /// or vector value FromVal, extracting the bits from the offset specified by
755 /// Offset.  This returns the value, which is of type ToType.
756 ///
757 /// This happens when we are converting an "integer union" to a single
758 /// integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a vector with
759 /// insert/extractelement instructions.
760 ///
761 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
762 /// shifted to the right.
763 Value *ConvertToScalarInfo::
764 ConvertScalar_ExtractValue(Value *FromVal, Type *ToType,
765                            uint64_t Offset, Value* NonConstantIdx,
766                            IRBuilder<> &Builder) {
767   // If the load is of the whole new alloca, no conversion is needed.
768   Type *FromType = FromVal->getType();
769   if (FromType == ToType && Offset == 0)
770     return FromVal;
771
772   // If the result alloca is a vector type, this is either an element
773   // access or a bitcast to another vector type of the same size.
774   if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(FromType)) {
775     unsigned FromTypeSize = DL.getTypeAllocSize(FromType);
776     unsigned ToTypeSize = DL.getTypeAllocSize(ToType);
777     if (FromTypeSize == ToTypeSize)
778         return Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType);
779
780     // Otherwise it must be an element access.
781     unsigned Elt = 0;
782     if (Offset) {
783       unsigned EltSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(VTy->getElementType());
784       Elt = Offset/EltSize;
785       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
786     }
787     // Return the element extracted out of it.
788     Value *Idx;
789     if (NonConstantIdx) {
790       if (Elt)
791         Idx = Builder.CreateAdd(NonConstantIdx,
792                                 Builder.getInt32(Elt),
793                                 "dyn.offset");
794       else
795         Idx = NonConstantIdx;
796     } else
797       Idx = Builder.getInt32(Elt);
798     Value *V = Builder.CreateExtractElement(FromVal, Idx);
799     if (V->getType() != ToType)
800       V = Builder.CreateBitCast(V, ToType);
801     return V;
802   }
803
804   // If ToType is a first class aggregate, extract out each of the pieces and
805   // use insertvalue's to form the FCA.
806   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(ToType)) {
807     assert(!NonConstantIdx &&
808            "Dynamic indexing into struct types not supported");
809     const StructLayout &Layout = *DL.getStructLayout(ST);
810     Value *Res = UndefValue::get(ST);
811     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
812       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, ST->getElementType(i),
813                                         Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
814                                               nullptr, Builder);
815       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i);
816     }
817     return Res;
818   }
819
820   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(ToType)) {
821     assert(!NonConstantIdx &&
822            "Dynamic indexing into array types not supported");
823     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
824     Value *Res = UndefValue::get(AT);
825     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
826       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, AT->getElementType(),
827                                               Offset+i*EltSize, nullptr,
828                                               Builder);
829       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i);
830     }
831     return Res;
832   }
833
834   // Otherwise, this must be a union that was converted to an integer value.
835   IntegerType *NTy = cast<IntegerType>(FromVal->getType());
836
837   // If this is a big-endian system and the load is narrower than the
838   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
839   int ShAmt = 0;
840   if (DL.isBigEndian()) {
841     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
842     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
843     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
844     ShAmt = DL.getTypeStoreSizeInBits(NTy) -
845             DL.getTypeStoreSizeInBits(ToType) - Offset;
846   } else {
847     ShAmt = Offset;
848   }
849
850   // Note: we support negative bitwidths (with shl) which are not defined.
851   // We do this to support (f.e.) loads off the end of a structure where
852   // only some bits are used.
853   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < NTy->getBitWidth())
854     FromVal = Builder.CreateLShr(FromVal,
855                                  ConstantInt::get(FromVal->getType(), ShAmt));
856   else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < NTy->getBitWidth())
857     FromVal = Builder.CreateShl(FromVal,
858                                 ConstantInt::get(FromVal->getType(), -ShAmt));
859
860   // Finally, unconditionally truncate the integer to the right width.
861   unsigned LIBitWidth = DL.getTypeSizeInBits(ToType);
862   if (LIBitWidth < NTy->getBitWidth())
863     FromVal =
864       Builder.CreateTrunc(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
865                                                     LIBitWidth));
866   else if (LIBitWidth > NTy->getBitWidth())
867     FromVal =
868        Builder.CreateZExt(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
869                                                     LIBitWidth));
870
871   // If the result is an integer, this is a trunc or bitcast.
872   if (ToType->isIntegerTy()) {
873     // Should be done.
874   } else if (ToType->isFloatingPointTy() || ToType->isVectorTy()) {
875     // Just do a bitcast, we know the sizes match up.
876     FromVal = Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType);
877   } else {
878     // Otherwise must be a pointer.
879     FromVal = Builder.CreateIntToPtr(FromVal, ToType);
880   }
881   assert(FromVal->getType() == ToType && "Didn't convert right?");
882   return FromVal;
883 }
884
885 /// ConvertScalar_InsertValue - Insert the value "SV" into the existing integer
886 /// or vector value "Old" at the offset specified by Offset.
887 ///
888 /// This happens when we are converting an "integer union" to a
889 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
890 /// vector with insert/extractelement instructions.
891 ///
892 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
893 /// shifted to the right.
894 ///
895 /// NonConstantIdx is an index value if there was a GEP with a non-constant
896 /// index value.  If this is 0 then all GEPs used to find this insert address
897 /// are constant.
898 Value *ConvertToScalarInfo::
899 ConvertScalar_InsertValue(Value *SV, Value *Old,
900                           uint64_t Offset, Value* NonConstantIdx,
901                           IRBuilder<> &Builder) {
902   // Convert the stored type to the actual type, shift it left to insert
903   // then 'or' into place.
904   Type *AllocaType = Old->getType();
905   LLVMContext &Context = Old->getContext();
906
907   if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaType)) {
908     uint64_t VecSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(VTy);
909     uint64_t ValSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(SV->getType());
910
911     // Changing the whole vector with memset or with an access of a different
912     // vector type?
913     if (ValSize == VecSize)
914         return Builder.CreateBitCast(SV, AllocaType);
915
916     // Must be an element insertion.
917     Type *EltTy = VTy->getElementType();
918     if (SV->getType() != EltTy)
919       SV = Builder.CreateBitCast(SV, EltTy);
920     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(EltTy);
921     unsigned Elt = Offset/EltSize;
922     Value *Idx;
923     if (NonConstantIdx) {
924       if (Elt)
925         Idx = Builder.CreateAdd(NonConstantIdx,
926                                 Builder.getInt32(Elt),
927                                 "dyn.offset");
928       else
929         Idx = NonConstantIdx;
930     } else
931       Idx = Builder.getInt32(Elt);
932     return Builder.CreateInsertElement(Old, SV, Idx);
933   }
934
935   // If SV is a first-class aggregate value, insert each value recursively.
936   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(SV->getType())) {
937     assert(!NonConstantIdx &&
938            "Dynamic indexing into struct types not supported");
939     const StructLayout &Layout = *DL.getStructLayout(ST);
940     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
941       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i);
942       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old,
943                                       Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
944                                       nullptr, Builder);
945     }
946     return Old;
947   }
948
949   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(SV->getType())) {
950     assert(!NonConstantIdx &&
951            "Dynamic indexing into array types not supported");
952     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
953     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
954       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i);
955       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old, Offset+i*EltSize, nullptr,
956                                       Builder);
957     }
958     return Old;
959   }
960
961   // If SV is a float, convert it to the appropriate integer type.
962   // If it is a pointer, do the same.
963   unsigned SrcWidth = DL.getTypeSizeInBits(SV->getType());
964   unsigned DestWidth = DL.getTypeSizeInBits(AllocaType);
965   unsigned SrcStoreWidth = DL.getTypeStoreSizeInBits(SV->getType());
966   unsigned DestStoreWidth = DL.getTypeStoreSizeInBits(AllocaType);
967   if (SV->getType()->isFloatingPointTy() || SV->getType()->isVectorTy())
968     SV = Builder.CreateBitCast(SV, IntegerType::get(SV->getContext(),SrcWidth));
969   else if (SV->getType()->isPointerTy())
970     SV = Builder.CreatePtrToInt(SV, DL.getIntPtrType(SV->getType()));
971
972   // Zero extend or truncate the value if needed.
973   if (SV->getType() != AllocaType) {
974     if (SV->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
975              AllocaType->getPrimitiveSizeInBits())
976       SV = Builder.CreateZExt(SV, AllocaType);
977     else {
978       // Truncation may be needed if storing more than the alloca can hold
979       // (undefined behavior).
980       SV = Builder.CreateTrunc(SV, AllocaType);
981       SrcWidth = DestWidth;
982       SrcStoreWidth = DestStoreWidth;
983     }
984   }
985
986   // If this is a big-endian system and the store is narrower than the
987   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
988   int ShAmt = 0;
989   if (DL.isBigEndian()) {
990     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
991     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
992     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
993     ShAmt = DestStoreWidth - SrcStoreWidth - Offset;
994   } else {
995     ShAmt = Offset;
996   }
997
998   // Note: we support negative bitwidths (with shr) which are not defined.
999   // We do this to support (f.e.) stores off the end of a structure where
1000   // only some bits in the structure are set.
1001   APInt Mask(APInt::getLowBitsSet(DestWidth, SrcWidth));
1002   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < DestWidth) {
1003     SV = Builder.CreateShl(SV, ConstantInt::get(SV->getType(), ShAmt));
1004     Mask <<= ShAmt;
1005   } else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < DestWidth) {
1006     SV = Builder.CreateLShr(SV, ConstantInt::get(SV->getType(), -ShAmt));
1007     Mask = Mask.lshr(-ShAmt);
1008   }
1009
1010   // Mask out the bits we are about to insert from the old value, and or
1011   // in the new bits.
1012   if (SrcWidth != DestWidth) {
1013     assert(DestWidth > SrcWidth);
1014     Old = Builder.CreateAnd(Old, ConstantInt::get(Context, ~Mask), "mask");
1015     SV = Builder.CreateOr(Old, SV, "ins");
1016   }
1017   return SV;
1018 }
1019
1020
1021 //===----------------------------------------------------------------------===//
1022 // SRoA Driver
1023 //===----------------------------------------------------------------------===//
1024
1025
1026 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
1027   if (skipOptnoneFunction(F))
1028     return false;
1029
1030   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1031   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1032
1033   bool Changed = performPromotion(F);
1034
1035   // FIXME: ScalarRepl currently depends on DataLayout more than it
1036   // theoretically needs to. It should be refactored in order to support
1037   // target-independent IR. Until this is done, just skip the actual
1038   // scalar-replacement portion of this pass.
1039   if (!DL) return Changed;
1040
1041   while (1) {
1042     bool LocalChange = performScalarRepl(F);
1043     if (!LocalChange) break;   // No need to repromote if no scalarrepl
1044     Changed = true;
1045     LocalChange = performPromotion(F);
1046     if (!LocalChange) break;   // No need to re-scalarrepl if no promotion
1047   }
1048
1049   return Changed;
1050 }
1051
1052 namespace {
1053 class AllocaPromoter : public LoadAndStorePromoter {
1054   AllocaInst *AI;
1055   DIBuilder *DIB;
1056   SmallVector<DbgDeclareInst *, 4> DDIs;
1057   SmallVector<DbgValueInst *, 4> DVIs;
1058 public:
1059   AllocaPromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
1060                  DIBuilder *DB)
1061     : LoadAndStorePromoter(Insts, S), AI(nullptr), DIB(DB) {}
1062
1063   void run(AllocaInst *AI, const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) {
1064     // Remember which alloca we're promoting (for isInstInList).
1065     this->AI = AI;
1066     if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(AI->getContext(), AI)) {
1067       for (User *U : DebugNode->users())
1068         if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(U))
1069           DDIs.push_back(DDI);
1070         else if (DbgValueInst *DVI = dyn_cast<DbgValueInst>(U))
1071           DVIs.push_back(DVI);
1072     }
1073
1074     LoadAndStorePromoter::run(Insts);
1075     AI->eraseFromParent();
1076     for (SmallVectorImpl<DbgDeclareInst *>::iterator I = DDIs.begin(),
1077            E = DDIs.end(); I != E; ++I) {
1078       DbgDeclareInst *DDI = *I;
1079       DDI->eraseFromParent();
1080     }
1081     for (SmallVectorImpl<DbgValueInst *>::iterator I = DVIs.begin(),
1082            E = DVIs.end(); I != E; ++I) {
1083       DbgValueInst *DVI = *I;
1084       DVI->eraseFromParent();
1085     }
1086   }
1087
1088   bool isInstInList(Instruction *I,
1089                     const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const override {
1090     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1091       return LI->getOperand(0) == AI;
1092     return cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand() == AI;
1093   }
1094
1095   void updateDebugInfo(Instruction *Inst) const override {
1096     for (SmallVectorImpl<DbgDeclareInst *>::const_iterator I = DDIs.begin(),
1097            E = DDIs.end(); I != E; ++I) {
1098       DbgDeclareInst *DDI = *I;
1099       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
1100         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
1101       else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
1102         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, LI, *DIB);
1103     }
1104     for (SmallVectorImpl<DbgValueInst *>::const_iterator I = DVIs.begin(),
1105            E = DVIs.end(); I != E; ++I) {
1106       DbgValueInst *DVI = *I;
1107       Value *Arg = nullptr;
1108       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
1109         // If an argument is zero extended then use argument directly. The ZExt
1110         // may be zapped by an optimization pass in future.
1111         if (ZExtInst *ZExt = dyn_cast<ZExtInst>(SI->getOperand(0)))
1112           Arg = dyn_cast<Argument>(ZExt->getOperand(0));
1113         if (SExtInst *SExt = dyn_cast<SExtInst>(SI->getOperand(0)))
1114           Arg = dyn_cast<Argument>(SExt->getOperand(0));
1115         if (!Arg)
1116           Arg = SI->getOperand(0);
1117       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
1118         Arg = LI->getOperand(0);
1119       } else {
1120         continue;
1121       }
1122       Instruction *DbgVal =
1123         DIB->insertDbgValueIntrinsic(Arg, 0, DIVariable(DVI->getVariable()),
1124                                      Inst);
1125       DbgVal->setDebugLoc(DVI->getDebugLoc());
1126     }
1127   }
1128 };
1129 } // end anon namespace
1130
1131 /// isSafeSelectToSpeculate - Select instructions that use an alloca and are
1132 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers and then
1133 /// select between the result, allowing the load of the alloca to be promoted.
1134 /// From this:
1135 ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
1136 ///   %V = load i32* %P2
1137 /// to:
1138 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1139 ///   %V2 = load i32* %Other
1140 ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
1141 ///
1142 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1143 /// the select can be loaded unconditionally.
1144 static bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst *SI, const DataLayout *DL) {
1145   bool TDerefable = SI->getTrueValue()->isDereferenceablePointer();
1146   bool FDerefable = SI->getFalseValue()->isDereferenceablePointer();
1147
1148   for (User *U : SI->users()) {
1149     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U);
1150     if (!LI || !LI->isSimple()) return false;
1151
1152     // Both operands to the select need to be dereferencable, either absolutely
1153     // (e.g. allocas) or at this point because we can see other accesses to it.
1154     if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getTrueValue(), LI,
1155                                                     LI->getAlignment(), DL))
1156       return false;
1157     if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getFalseValue(), LI,
1158                                                     LI->getAlignment(), DL))
1159       return false;
1160   }
1161
1162   return true;
1163 }
1164
1165 /// isSafePHIToSpeculate - PHI instructions that use an alloca and are
1166 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers in the pred
1167 /// blocks and then PHI the results, allowing the load of the alloca to be
1168 /// promoted.
1169 /// From this:
1170 ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
1171 ///   %V = load i32* %P2
1172 /// to:
1173 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1174 ///   ...
1175 ///   %V2 = load i32* %Other
1176 ///   ...
1177 ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
1178 ///
1179 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1180 /// the select can be loaded unconditionally.
1181 static bool isSafePHIToSpeculate(PHINode *PN, const DataLayout *DL) {
1182   // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block as
1183   // the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
1184   // TODO: Allow recursive phi users.
1185   // TODO: Allow stores.
1186   BasicBlock *BB = PN->getParent();
1187   unsigned MaxAlign = 0;
1188   for (User *U : PN->users()) {
1189     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U);
1190     if (!LI || !LI->isSimple()) return false;
1191
1192     // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is a
1193     // common case that happens when instcombine merges two loads through a PHI.
1194     if (LI->getParent() != BB) return false;
1195
1196     // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
1197     // could store.
1198     for (BasicBlock::iterator BBI = PN; &*BBI != LI; ++BBI)
1199       if (BBI->mayWriteToMemory())
1200         return false;
1201
1202     MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
1203   }
1204
1205   // Okay, we know that we have one or more loads in the same block as the PHI.
1206   // We can transform this if it is safe to push the loads into the predecessor
1207   // blocks.  The only thing to watch out for is that we can't put a possibly
1208   // trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
1209   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1210     BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1211     Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1212
1213     // If the terminator of the predecessor has side-effects (an invoke),
1214     // there is no safe place to put a load in the predecessor.
1215     if (Pred->getTerminator()->mayHaveSideEffects())
1216       return false;
1217
1218     // If the value is produced by the terminator of the predecessor
1219     // (an invoke), there is no valid place to put a load in the predecessor.
1220     if (Pred->getTerminator() == InVal)
1221       return false;
1222
1223     // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't critical.
1224     if (Pred->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1)
1225       continue;
1226
1227     // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there is
1228     // already a load in the block, then we can move the load to the pred block.
1229     if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
1230         isSafeToLoadUnconditionally(InVal, Pred->getTerminator(), MaxAlign, DL))
1231       continue;
1232
1233     return false;
1234   }
1235
1236   return true;
1237 }
1238
1239
1240 /// tryToMakeAllocaBePromotable - This returns true if the alloca only has
1241 /// direct (non-volatile) loads and stores to it.  If the alloca is close but
1242 /// not quite there, this will transform the code to allow promotion.  As such,
1243 /// it is a non-pure predicate.
1244 static bool tryToMakeAllocaBePromotable(AllocaInst *AI, const DataLayout *DL) {
1245   SetVector<Instruction*, SmallVector<Instruction*, 4>,
1246             SmallPtrSet<Instruction*, 4> > InstsToRewrite;
1247   for (User *U : AI->users()) {
1248     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1249       if (!LI->isSimple())
1250         return false;
1251       continue;
1252     }
1253
1254     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1255       if (SI->getOperand(0) == AI || !SI->isSimple())
1256         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
1257       continue;
1258     }
1259
1260     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(U)) {
1261       // If the condition being selected on is a constant, fold the select, yes
1262       // this does (rarely) happen early on.
1263       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI->getCondition())) {
1264         Value *Result = SI->getOperand(1+CI->isZero());
1265         SI->replaceAllUsesWith(Result);
1266         SI->eraseFromParent();
1267
1268         // This is very rare and we just scrambled the use list of AI, start
1269         // over completely.
1270         return tryToMakeAllocaBePromotable(AI, DL);
1271       }
1272
1273       // If it is safe to turn "load (select c, AI, ptr)" into a select of two
1274       // loads, then we can transform this by rewriting the select.
1275       if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, DL))
1276         return false;
1277
1278       InstsToRewrite.insert(SI);
1279       continue;
1280     }
1281
1282     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1283       if (PN->use_empty()) {  // Dead PHIs can be stripped.
1284         InstsToRewrite.insert(PN);
1285         continue;
1286       }
1287
1288       // If it is safe to turn "load (phi [AI, ptr, ...])" into a PHI of loads
1289       // in the pred blocks, then we can transform this by rewriting the PHI.
1290       if (!isSafePHIToSpeculate(PN, DL))
1291         return false;
1292
1293       InstsToRewrite.insert(PN);
1294       continue;
1295     }
1296
1297     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
1298       if (onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI)) {
1299         InstsToRewrite.insert(BCI);
1300         continue;
1301       }
1302     }
1303
1304     return false;
1305   }
1306
1307   // If there are no instructions to rewrite, then all uses are load/stores and
1308   // we're done!
1309   if (InstsToRewrite.empty())
1310     return true;
1311
1312   // If we have instructions that need to be rewritten for this to be promotable
1313   // take care of it now.
1314   for (unsigned i = 0, e = InstsToRewrite.size(); i != e; ++i) {
1315     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(InstsToRewrite[i])) {
1316       // This could only be a bitcast used by nothing but lifetime intrinsics.
1317       for (BitCastInst::user_iterator I = BCI->user_begin(), E = BCI->user_end();
1318            I != E;)
1319         cast<Instruction>(*I++)->eraseFromParent();
1320       BCI->eraseFromParent();
1321       continue;
1322     }
1323
1324     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(InstsToRewrite[i])) {
1325       // Selects in InstsToRewrite only have load uses.  Rewrite each as two
1326       // loads with a new select.
1327       while (!SI->use_empty()) {
1328         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->user_back());
1329
1330         IRBuilder<> Builder(LI);
1331         LoadInst *TrueLoad =
1332           Builder.CreateLoad(SI->getTrueValue(), LI->getName()+".t");
1333         LoadInst *FalseLoad =
1334           Builder.CreateLoad(SI->getFalseValue(), LI->getName()+".f");
1335
1336         // Transfer alignment and TBAA info if present.
1337         TrueLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1338         FalseLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1339         if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
1340           TrueLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1341           FalseLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1342         }
1343
1344         Value *V = Builder.CreateSelect(SI->getCondition(), TrueLoad, FalseLoad);
1345         V->takeName(LI);
1346         LI->replaceAllUsesWith(V);
1347         LI->eraseFromParent();
1348       }
1349
1350       // Now that all the loads are gone, the select is gone too.
1351       SI->eraseFromParent();
1352       continue;
1353     }
1354
1355     // Otherwise, we have a PHI node which allows us to push the loads into the
1356     // predecessors.
1357     PHINode *PN = cast<PHINode>(InstsToRewrite[i]);
1358     if (PN->use_empty()) {
1359       PN->eraseFromParent();
1360       continue;
1361     }
1362
1363     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN->getType())->getElementType();
1364     PHINode *NewPN = PHINode::Create(LoadTy, PN->getNumIncomingValues(),
1365                                      PN->getName()+".ld", PN);
1366
1367     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
1368     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
1369     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(PN->user_back());
1370     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
1371     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
1372
1373     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
1374     while (!PN->use_empty()) {
1375       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(PN->user_back());
1376       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
1377       LI->eraseFromParent();
1378     }
1379
1380     // Inject loads into all of the pred blocks.  Keep track of which blocks we
1381     // insert them into in case we have multiple edges from the same block.
1382     DenseMap<BasicBlock*, LoadInst*> InsertedLoads;
1383
1384     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1385       BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1386       LoadInst *&Load = InsertedLoads[Pred];
1387       if (!Load) {
1388         Load = new LoadInst(PN->getIncomingValue(i),
1389                             PN->getName() + "." + Pred->getName(),
1390                             Pred->getTerminator());
1391         Load->setAlignment(Align);
1392         if (TBAATag) Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
1393       }
1394
1395       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
1396     }
1397
1398     PN->eraseFromParent();
1399   }
1400
1401   ++NumAdjusted;
1402   return true;
1403 }
1404
1405 bool SROA::performPromotion(Function &F) {
1406   std::vector<AllocaInst*> Allocas;
1407   DominatorTree *DT = nullptr;
1408   if (HasDomTree)
1409     DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1410
1411   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();  // Get the entry node for the function
1412   DIBuilder DIB(*F.getParent());
1413   bool Changed = false;
1414   SmallVector<Instruction*, 64> Insts;
1415   while (1) {
1416     Allocas.clear();
1417
1418     // Find allocas that are safe to promote, by looking at all instructions in
1419     // the entry node
1420     for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
1421       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))       // Is it an alloca?
1422         if (tryToMakeAllocaBePromotable(AI, DL))
1423           Allocas.push_back(AI);
1424
1425     if (Allocas.empty()) break;
1426
1427     if (HasDomTree)
1428       PromoteMemToReg(Allocas, *DT);
1429     else {
1430       SSAUpdater SSA;
1431       for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
1432         AllocaInst *AI = Allocas[i];
1433
1434         // Build list of instructions to promote.
1435         for (User *U : AI->users())
1436           Insts.push_back(cast<Instruction>(U));
1437         AllocaPromoter(Insts, SSA, &DIB).run(AI, Insts);
1438         Insts.clear();
1439       }
1440     }
1441     NumPromoted += Allocas.size();
1442     Changed = true;
1443   }
1444
1445   return Changed;
1446 }
1447
1448
1449 /// ShouldAttemptScalarRepl - Decide if an alloca is a good candidate for
1450 /// SROA.  It must be a struct or array type with a small number of elements.
1451 bool SROA::ShouldAttemptScalarRepl(AllocaInst *AI) {
1452   Type *T = AI->getAllocatedType();
1453   // Do not promote any struct that has too many members.
1454   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T))
1455     return ST->getNumElements() <= StructMemberThreshold;
1456   // Do not promote any array that has too many elements.
1457   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T))
1458     return AT->getNumElements() <= ArrayElementThreshold;
1459   return false;
1460 }
1461
1462 // performScalarRepl - This algorithm is a simple worklist driven algorithm,
1463 // which runs on all of the alloca instructions in the entry block, removing
1464 // them if they are only used by getelementptr instructions.
1465 //
1466 bool SROA::performScalarRepl(Function &F) {
1467   std::vector<AllocaInst*> WorkList;
1468
1469   // Scan the entry basic block, adding allocas to the worklist.
1470   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();
1471   for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
1472     if (AllocaInst *A = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1473       WorkList.push_back(A);
1474
1475   // Process the worklist
1476   bool Changed = false;
1477   while (!WorkList.empty()) {
1478     AllocaInst *AI = WorkList.back();
1479     WorkList.pop_back();
1480
1481     // Handle dead allocas trivially.  These can be formed by SROA'ing arrays
1482     // with unused elements.
1483     if (AI->use_empty()) {
1484       AI->eraseFromParent();
1485       Changed = true;
1486       continue;
1487     }
1488
1489     // If this alloca is impossible for us to promote, reject it early.
1490     if (AI->isArrayAllocation() || !AI->getAllocatedType()->isSized())
1491       continue;
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 = DL->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 = ConvertToScalarInfo(
1521               (unsigned)AllocaSize, *DL, ScalarLoadThreshold).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 (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), nullptr,
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     ArrayType *AT = cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType());
1552     ElementAllocas.reserve(AT->getNumElements());
1553     Type *ElTy = AT->getElementType();
1554     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
1555       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ElTy, nullptr, 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 = nullptr;
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 (Use &U : I->uses()) {
1600     Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
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 || Length->isNegative())
1612         return MarkUnsafe(Info, User);
1613
1614       isSafeMemAccess(Offset, Length->getZExtValue(), nullptr,
1615                       U.getOperandNo() == 0, Info, MI,
1616                       true /*AllowWholeAccess*/);
1617     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1618       if (!LI->isSimple())
1619         return MarkUnsafe(Info, User);
1620       Type *LIType = LI->getType();
1621       isSafeMemAccess(Offset, DL->getTypeAllocSize(LIType),
1622                       LIType, false, Info, LI, true /*AllowWholeAccess*/);
1623       Info.hasALoadOrStore = true;
1624
1625     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1626       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1627       if (!SI->isSimple() || SI->getOperand(0) == I)
1628         return MarkUnsafe(Info, User);
1629
1630       Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1631       isSafeMemAccess(Offset, DL->getTypeAllocSize(SIType),
1632                       SIType, true, Info, SI, true /*AllowWholeAccess*/);
1633       Info.hasALoadOrStore = true;
1634     } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(User)) {
1635       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
1636           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
1637         return MarkUnsafe(Info, User);
1638     } else if (isa<PHINode>(User) || isa<SelectInst>(User)) {
1639       isSafePHISelectUseForScalarRepl(User, Offset, Info);
1640     } else {
1641       return MarkUnsafe(Info, User);
1642     }
1643     if (Info.isUnsafe) return;
1644   }
1645 }
1646
1647
1648 /// isSafePHIUseForScalarRepl - If we see a PHI node or select using a pointer
1649 /// derived from the alloca, we can often still split the alloca into elements.
1650 /// This is useful if we have a large alloca where one element is phi'd
1651 /// together somewhere: we can SRoA and promote all the other elements even if
1652 /// we end up not being able to promote this one.
1653 ///
1654 /// All we require is that the uses of the PHI do not index into other parts of
1655 /// the alloca.  The most important use case for this is single load and stores
1656 /// that are PHI'd together, which can happen due to code sinking.
1657 void SROA::isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset,
1658                                            AllocaInfo &Info) {
1659   // If we've already checked this PHI, don't do it again.
1660   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1661     if (!Info.CheckedPHIs.insert(PN))
1662       return;
1663
1664   for (User *U : I->users()) {
1665     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
1666
1667     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(UI)) {
1668       isSafePHISelectUseForScalarRepl(BC, Offset, Info);
1669     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
1670       // Only allow "bitcast" GEPs for simplicity.  We could generalize this,
1671       // but would have to prove that we're staying inside of an element being
1672       // promoted.
1673       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
1674         return MarkUnsafe(Info, UI);
1675       isSafePHISelectUseForScalarRepl(GEPI, Offset, Info);
1676     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
1677       if (!LI->isSimple())
1678         return MarkUnsafe(Info, UI);
1679       Type *LIType = LI->getType();
1680       isSafeMemAccess(Offset, DL->getTypeAllocSize(LIType),
1681                       LIType, false, Info, LI, false /*AllowWholeAccess*/);
1682       Info.hasALoadOrStore = true;
1683
1684     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
1685       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1686       if (!SI->isSimple() || SI->getOperand(0) == I)
1687         return MarkUnsafe(Info, UI);
1688
1689       Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1690       isSafeMemAccess(Offset, DL->getTypeAllocSize(SIType),
1691                       SIType, true, Info, SI, false /*AllowWholeAccess*/);
1692       Info.hasALoadOrStore = true;
1693     } else if (isa<PHINode>(UI) || isa<SelectInst>(UI)) {
1694       isSafePHISelectUseForScalarRepl(UI, Offset, Info);
1695     } else {
1696       return MarkUnsafe(Info, UI);
1697     }
1698     if (Info.isUnsafe) return;
1699   }
1700 }
1701
1702 /// isSafeGEP - Check if a GEP instruction can be handled for scalar
1703 /// replacement.  It is safe when all the indices are constant, in-bounds
1704 /// references, and when the resulting offset corresponds to an element within
1705 /// the alloca type.  The results are flagged in the Info parameter.  Upon
1706 /// return, Offset is adjusted as specified by the GEP indices.
1707 void SROA::isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI,
1708                      uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info) {
1709   gep_type_iterator GEPIt = gep_type_begin(GEPI), E = gep_type_end(GEPI);
1710   if (GEPIt == E)
1711     return;
1712   bool NonConstant = false;
1713   unsigned NonConstantIdxSize = 0;
1714
1715   // Walk through the GEP type indices, checking the types that this indexes
1716   // into.
1717   for (; GEPIt != E; ++GEPIt) {
1718     // Ignore struct elements, no extra checking needed for these.
1719     if ((*GEPIt)->isStructTy())
1720       continue;
1721
1722     ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPIt.getOperand());
1723     if (!IdxVal)
1724       return MarkUnsafe(Info, GEPI);
1725   }
1726
1727   // Compute the offset due to this GEP and check if the alloca has a
1728   // component element at that offset.
1729   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
1730   // If this GEP is non-constant then the last operand must have been a
1731   // dynamic index into a vector.  Pop this now as it has no impact on the
1732   // constant part of the offset.
1733   if (NonConstant)
1734     Indices.pop_back();
1735   Offset += DL->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(), Indices);
1736   if (!TypeHasComponent(Info.AI->getAllocatedType(), Offset,
1737                         NonConstantIdxSize))
1738     MarkUnsafe(Info, GEPI);
1739 }
1740
1741 /// isHomogeneousAggregate - Check if type T is a struct or array containing
1742 /// elements of the same type (which is always true for arrays).  If so,
1743 /// return true with NumElts and EltTy set to the number of elements and the
1744 /// element type, respectively.
1745 static bool isHomogeneousAggregate(Type *T, unsigned &NumElts,
1746                                    Type *&EltTy) {
1747   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1748     NumElts = AT->getNumElements();
1749     EltTy = (NumElts == 0 ? nullptr : AT->getElementType());
1750     return true;
1751   }
1752   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1753     NumElts = ST->getNumContainedTypes();
1754     EltTy = (NumElts == 0 ? nullptr : ST->getContainedType(0));
1755     for (unsigned n = 1; n < NumElts; ++n) {
1756       if (ST->getContainedType(n) != EltTy)
1757         return false;
1758     }
1759     return true;
1760   }
1761   return false;
1762 }
1763
1764 /// isCompatibleAggregate - Check if T1 and T2 are either the same type or are
1765 /// "homogeneous" aggregates with the same element type and number of elements.
1766 static bool isCompatibleAggregate(Type *T1, Type *T2) {
1767   if (T1 == T2)
1768     return true;
1769
1770   unsigned NumElts1, NumElts2;
1771   Type *EltTy1, *EltTy2;
1772   if (isHomogeneousAggregate(T1, NumElts1, EltTy1) &&
1773       isHomogeneousAggregate(T2, NumElts2, EltTy2) &&
1774       NumElts1 == NumElts2 &&
1775       EltTy1 == EltTy2)
1776     return true;
1777
1778   return false;
1779 }
1780
1781 /// isSafeMemAccess - Check if a load/store/memcpy operates on the entire AI
1782 /// alloca or has an offset and size that corresponds to a component element
1783 /// within it.  The offset checked here may have been formed from a GEP with a
1784 /// pointer bitcasted to a different type.
1785 ///
1786 /// If AllowWholeAccess is true, then this allows uses of the entire alloca as a
1787 /// unit.  If false, it only allows accesses known to be in a single element.
1788 void SROA::isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
1789                            Type *MemOpType, bool isStore,
1790                            AllocaInfo &Info, Instruction *TheAccess,
1791                            bool AllowWholeAccess) {
1792   // Check if this is a load/store of the entire alloca.
1793   if (Offset == 0 && AllowWholeAccess &&
1794       MemSize == DL->getTypeAllocSize(Info.AI->getAllocatedType())) {
1795     // This can be safe for MemIntrinsics (where MemOpType is 0) and integer
1796     // loads/stores (which are essentially the same as the MemIntrinsics with
1797     // regard to copying padding between elements).  But, if an alloca is
1798     // flagged as both a source and destination of such operations, we'll need
1799     // to check later for padding between elements.
1800     if (!MemOpType || MemOpType->isIntegerTy()) {
1801       if (isStore)
1802         Info.isMemCpyDst = true;
1803       else
1804         Info.isMemCpySrc = true;
1805       return;
1806     }
1807     // This is also safe for references using a type that is compatible with
1808     // the type of the alloca, so that loads/stores can be rewritten using
1809     // insertvalue/extractvalue.
1810     if (isCompatibleAggregate(MemOpType, Info.AI->getAllocatedType())) {
1811       Info.hasSubelementAccess = true;
1812       return;
1813     }
1814   }
1815   // Check if the offset/size correspond to a component within the alloca type.
1816   Type *T = Info.AI->getAllocatedType();
1817   if (TypeHasComponent(T, Offset, MemSize)) {
1818     Info.hasSubelementAccess = true;
1819     return;
1820   }
1821
1822   return MarkUnsafe(Info, TheAccess);
1823 }
1824
1825 /// TypeHasComponent - Return true if T has a component type with the
1826 /// specified offset and size.  If Size is zero, do not check the size.
1827 bool SROA::TypeHasComponent(Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size) {
1828   Type *EltTy;
1829   uint64_t EltSize;
1830   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1831     const StructLayout *Layout = DL->getStructLayout(ST);
1832     unsigned EltIdx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
1833     EltTy = ST->getContainedType(EltIdx);
1834     EltSize = DL->getTypeAllocSize(EltTy);
1835     Offset -= Layout->getElementOffset(EltIdx);
1836   } else if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1837     EltTy = AT->getElementType();
1838     EltSize = DL->getTypeAllocSize(EltTy);
1839     if (Offset >= AT->getNumElements() * EltSize)
1840       return false;
1841     Offset %= EltSize;
1842   } else if (VectorType *VT = dyn_cast<VectorType>(T)) {
1843     EltTy = VT->getElementType();
1844     EltSize = DL->getTypeAllocSize(EltTy);
1845     if (Offset >= VT->getNumElements() * EltSize)
1846       return false;
1847     Offset %= EltSize;
1848   } else {
1849     return false;
1850   }
1851   if (Offset == 0 && (Size == 0 || EltSize == Size))
1852     return true;
1853   // Check if the component spans multiple elements.
1854   if (Offset + Size > EltSize)
1855     return false;
1856   return TypeHasComponent(EltTy, Offset, Size);
1857 }
1858
1859 /// RewriteForScalarRepl - Alloca AI is being split into NewElts, so rewrite
1860 /// the instruction I, which references it, to use the separate elements.
1861 /// Offset indicates the position within AI that is referenced by this
1862 /// instruction.
1863 void SROA::RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1864                                 SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
1865   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E;) {
1866     Use &TheUse = *UI++;
1867     Instruction *User = cast<Instruction>(TheUse.getUser());
1868
1869     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1870       RewriteBitCast(BC, AI, Offset, NewElts);
1871       continue;
1872     }
1873
1874     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1875       RewriteGEP(GEPI, AI, Offset, NewElts);
1876       continue;
1877     }
1878
1879     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
1880       ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
1881       uint64_t MemSize = Length->getZExtValue();
1882       if (Offset == 0 &&
1883           MemSize == DL->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType()))
1884         RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MI, I, AI, NewElts);
1885       // Otherwise the intrinsic can only touch a single element and the
1886       // address operand will be updated, so nothing else needs to be done.
1887       continue;
1888     }
1889
1890     if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(User)) {
1891       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
1892           II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
1893         RewriteLifetimeIntrinsic(II, AI, Offset, NewElts);
1894       }
1895       continue;
1896     }
1897
1898     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1899       Type *LIType = LI->getType();
1900
1901       if (isCompatibleAggregate(LIType, AI->getAllocatedType())) {
1902         // Replace:
1903         //   %res = load { i32, i32 }* %alloc
1904         // with:
1905         //   %load.0 = load i32* %alloc.0
1906         //   %insert.0 insertvalue { i32, i32 } zeroinitializer, i32 %load.0, 0
1907         //   %load.1 = load i32* %alloc.1
1908         //   %insert = insertvalue { i32, i32 } %insert.0, i32 %load.1, 1
1909         // (Also works for arrays instead of structs)
1910         Value *Insert = UndefValue::get(LIType);
1911         IRBuilder<> Builder(LI);
1912         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1913           Value *Load = Builder.CreateLoad(NewElts[i], "load");
1914           Insert = Builder.CreateInsertValue(Insert, Load, i, "insert");
1915         }
1916         LI->replaceAllUsesWith(Insert);
1917         DeadInsts.push_back(LI);
1918       } else if (LIType->isIntegerTy() &&
1919                  DL->getTypeAllocSize(LIType) ==
1920                  DL->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1921         // If this is a load of the entire alloca to an integer, rewrite it.
1922         RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LI, AI, NewElts);
1923       }
1924       continue;
1925     }
1926
1927     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1928       Value *Val = SI->getOperand(0);
1929       Type *SIType = Val->getType();
1930       if (isCompatibleAggregate(SIType, AI->getAllocatedType())) {
1931         // Replace:
1932         //   store { i32, i32 } %val, { i32, i32 }* %alloc
1933         // with:
1934         //   %val.0 = extractvalue { i32, i32 } %val, 0
1935         //   store i32 %val.0, i32* %alloc.0
1936         //   %val.1 = extractvalue { i32, i32 } %val, 1
1937         //   store i32 %val.1, i32* %alloc.1
1938         // (Also works for arrays instead of structs)
1939         IRBuilder<> Builder(SI);
1940         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1941           Value *Extract = Builder.CreateExtractValue(Val, i, Val->getName());
1942           Builder.CreateStore(Extract, NewElts[i]);
1943         }
1944         DeadInsts.push_back(SI);
1945       } else if (SIType->isIntegerTy() &&
1946                  DL->getTypeAllocSize(SIType) ==
1947                  DL->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1948         // If this is a store of the entire alloca from an integer, rewrite it.
1949         RewriteStoreUserOfWholeAlloca(SI, AI, NewElts);
1950       }
1951       continue;
1952     }
1953
1954     if (isa<SelectInst>(User) || isa<PHINode>(User)) {
1955       // If we have a PHI user of the alloca itself (as opposed to a GEP or
1956       // bitcast) we have to rewrite it.  GEP and bitcast uses will be RAUW'd to
1957       // the new pointer.
1958       if (!isa<AllocaInst>(I)) continue;
1959
1960       assert(Offset == 0 && NewElts[0] &&
1961              "Direct alloca use should have a zero offset");
1962
1963       // If we have a use of the alloca, we know the derived uses will be
1964       // utilizing just the first element of the scalarized result.  Insert a
1965       // bitcast of the first alloca before the user as required.
1966       AllocaInst *NewAI = NewElts[0];
1967       BitCastInst *BCI = new BitCastInst(NewAI, AI->getType(), "", NewAI);
1968       NewAI->moveBefore(BCI);
1969       TheUse = BCI;
1970       continue;
1971     }
1972   }
1973 }
1974
1975 /// RewriteBitCast - Update a bitcast reference to the alloca being replaced
1976 /// and recursively continue updating all of its uses.
1977 void SROA::RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1978                           SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
1979   RewriteForScalarRepl(BC, AI, Offset, NewElts);
1980   if (BC->getOperand(0) != AI)
1981     return;
1982
1983   // The bitcast references the original alloca.  Replace its uses with
1984   // references to the alloca containing offset zero (which is normally at
1985   // index zero, but might not be in cases involving structs with elements
1986   // of size zero).
1987   Type *T = AI->getAllocatedType();
1988   uint64_t EltOffset = 0;
1989   Type *IdxTy;
1990   uint64_t Idx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
1991   Instruction *Val = NewElts[Idx];
1992   if (Val->getType() != BC->getDestTy()) {
1993     Val = new BitCastInst(Val, BC->getDestTy(), "", BC);
1994     Val->takeName(BC);
1995   }
1996   BC->replaceAllUsesWith(Val);
1997   DeadInsts.push_back(BC);
1998 }
1999
2000 /// FindElementAndOffset - Return the index of the element containing Offset
2001 /// within the specified type, which must be either a struct or an array.
2002 /// Sets T to the type of the element and Offset to the offset within that
2003 /// element.  IdxTy is set to the type of the index result to be used in a
2004 /// GEP instruction.
2005 uint64_t SROA::FindElementAndOffset(Type *&T, uint64_t &Offset,
2006                                     Type *&IdxTy) {
2007   uint64_t Idx = 0;
2008   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
2009     const StructLayout *Layout = DL->getStructLayout(ST);
2010     Idx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
2011     T = ST->getContainedType(Idx);
2012     Offset -= Layout->getElementOffset(Idx);
2013     IdxTy = Type::getInt32Ty(T->getContext());
2014     return Idx;
2015   } else if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
2016     T = AT->getElementType();
2017     uint64_t EltSize = DL->getTypeAllocSize(T);
2018     Idx = Offset / EltSize;
2019     Offset -= Idx * EltSize;
2020     IdxTy = Type::getInt64Ty(T->getContext());
2021     return Idx;
2022   }
2023   VectorType *VT = cast<VectorType>(T);
2024   T = VT->getElementType();
2025   uint64_t EltSize = DL->getTypeAllocSize(T);
2026   Idx = Offset / EltSize;
2027   Offset -= Idx * EltSize;
2028   IdxTy = Type::getInt64Ty(T->getContext());
2029   return Idx;
2030 }
2031
2032 /// RewriteGEP - Check if this GEP instruction moves the pointer across
2033 /// elements of the alloca that are being split apart, and if so, rewrite
2034 /// the GEP to be relative to the new element.
2035 void SROA::RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
2036                       SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
2037   uint64_t OldOffset = Offset;
2038   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
2039   // If the GEP was dynamic then it must have been a dynamic vector lookup.
2040   // In this case, it must be the last GEP operand which is dynamic so keep that
2041   // aside until we've found the constant GEP offset then add it back in at the
2042   // end.
2043   Value* NonConstantIdx = nullptr;
2044   if (!GEPI->hasAllConstantIndices())
2045     NonConstantIdx = Indices.pop_back_val();
2046   Offset += DL->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(), Indices);
2047
2048   RewriteForScalarRepl(GEPI, AI, Offset, NewElts);
2049
2050   Type *T = AI->getAllocatedType();
2051   Type *IdxTy;
2052   uint64_t OldIdx = FindElementAndOffset(T, OldOffset, IdxTy);
2053   if (GEPI->getOperand(0) == AI)
2054     OldIdx = ~0ULL; // Force the GEP to be rewritten.
2055
2056   T = AI->getAllocatedType();
2057   uint64_t EltOffset = Offset;
2058   uint64_t Idx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
2059
2060   // If this GEP does not move the pointer across elements of the alloca
2061   // being split, then it does not needs to be rewritten.
2062   if (Idx == OldIdx)
2063     return;
2064
2065   Type *i32Ty = Type::getInt32Ty(AI->getContext());
2066   SmallVector<Value*, 8> NewArgs;
2067   NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(i32Ty));
2068   while (EltOffset != 0) {
2069     uint64_t EltIdx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
2070     NewArgs.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, EltIdx));
2071   }
2072   if (NonConstantIdx) {
2073     Type* GepTy = T;
2074     // This GEP has a dynamic index.  We need to add "i32 0" to index through
2075     // any structs or arrays in the original type until we get to the vector
2076     // to index.
2077     while (!isa<VectorType>(GepTy)) {
2078       NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(i32Ty));
2079       GepTy = cast<CompositeType>(GepTy)->getTypeAtIndex(0U);
2080     }
2081     NewArgs.push_back(NonConstantIdx);
2082   }
2083   Instruction *Val = NewElts[Idx];
2084   if (NewArgs.size() > 1) {
2085     Val = GetElementPtrInst::CreateInBounds(Val, NewArgs, "", GEPI);
2086     Val->takeName(GEPI);
2087   }
2088   if (Val->getType() != GEPI->getType())
2089     Val = new BitCastInst(Val, GEPI->getType(), Val->getName(), GEPI);
2090   GEPI->replaceAllUsesWith(Val);
2091   DeadInsts.push_back(GEPI);
2092 }
2093
2094 /// RewriteLifetimeIntrinsic - II is a lifetime.start/lifetime.end. Rewrite it
2095 /// to mark the lifetime of the scalarized memory.
2096 void SROA::RewriteLifetimeIntrinsic(IntrinsicInst *II, AllocaInst *AI,
2097                                     uint64_t Offset,
2098                                     SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
2099   ConstantInt *OldSize = cast<ConstantInt>(II->getArgOperand(0));
2100   // Put matching lifetime markers on everything from Offset up to
2101   // Offset+OldSize.
2102   Type *AIType = AI->getAllocatedType();
2103   uint64_t NewOffset = Offset;
2104   Type *IdxTy;
2105   uint64_t Idx = FindElementAndOffset(AIType, NewOffset, IdxTy);
2106
2107   IRBuilder<> Builder(II);
2108   uint64_t Size = OldSize->getLimitedValue();
2109
2110   if (NewOffset) {
2111     // Splice the first element and index 'NewOffset' bytes in.  SROA will
2112     // split the alloca again later.
2113     unsigned AS = AI->getType()->getAddressSpace();
2114     Value *V = Builder.CreateBitCast(NewElts[Idx], Builder.getInt8PtrTy(AS));
2115     V = Builder.CreateGEP(V, Builder.getInt64(NewOffset));
2116
2117     IdxTy = NewElts[Idx]->getAllocatedType();
2118     uint64_t EltSize = DL->getTypeAllocSize(IdxTy) - NewOffset;
2119     if (EltSize > Size) {
2120       EltSize = Size;
2121       Size = 0;
2122     } else {
2123       Size -= EltSize;
2124     }
2125     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2126       Builder.CreateLifetimeStart(V, Builder.getInt64(EltSize));
2127     else
2128       Builder.CreateLifetimeEnd(V, Builder.getInt64(EltSize));
2129     ++Idx;
2130   }
2131
2132   for (; Idx != NewElts.size() && Size; ++Idx) {
2133     IdxTy = NewElts[Idx]->getAllocatedType();
2134     uint64_t EltSize = DL->getTypeAllocSize(IdxTy);
2135     if (EltSize > Size) {
2136       EltSize = Size;
2137       Size = 0;
2138     } else {
2139       Size -= EltSize;
2140     }
2141     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2142       Builder.CreateLifetimeStart(NewElts[Idx],
2143                                   Builder.getInt64(EltSize));
2144     else
2145       Builder.CreateLifetimeEnd(NewElts[Idx],
2146                                 Builder.getInt64(EltSize));
2147   }
2148   DeadInsts.push_back(II);
2149 }
2150
2151 /// RewriteMemIntrinUserOfAlloca - MI is a memcpy/memset/memmove from or to AI.
2152 /// Rewrite it to copy or set the elements of the scalarized memory.
2153 void
2154 SROA::RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
2155                                    AllocaInst *AI,
2156                                    SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
2157   // If this is a memcpy/memmove, construct the other pointer as the
2158   // appropriate type.  The "Other" pointer is the pointer that goes to memory
2159   // that doesn't have anything to do with the alloca that we are promoting. For
2160   // memset, this Value* stays null.
2161   Value *OtherPtr = nullptr;
2162   unsigned MemAlignment = MI->getAlignment();
2163   if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(MI)) { // memmove/memcopy
2164     if (Inst == MTI->getRawDest())
2165       OtherPtr = MTI->getRawSource();
2166     else {
2167       assert(Inst == MTI->getRawSource());
2168       OtherPtr = MTI->getRawDest();
2169     }
2170   }
2171
2172   // If there is an other pointer, we want to convert it to the same pointer
2173   // type as AI has, so we can GEP through it safely.
2174   if (OtherPtr) {
2175     unsigned AddrSpace =
2176       cast<PointerType>(OtherPtr->getType())->getAddressSpace();
2177
2178     // Remove bitcasts and all-zero GEPs from OtherPtr.  This is an
2179     // optimization, but it's also required to detect the corner case where
2180     // both pointer operands are referencing the same memory, and where
2181     // OtherPtr may be a bitcast or GEP that currently being rewritten.  (This
2182     // function is only called for mem intrinsics that access the whole
2183     // aggregate, so non-zero GEPs are not an issue here.)
2184     OtherPtr = OtherPtr->stripPointerCasts();
2185
2186     // Copying the alloca to itself is a no-op: just delete it.
2187     if (OtherPtr == AI || OtherPtr == NewElts[0]) {
2188       // This code will run twice for a no-op memcpy -- once for each operand.
2189       // Put only one reference to MI on the DeadInsts list.
2190       for (SmallVectorImpl<Value *>::const_iterator I = DeadInsts.begin(),
2191              E = DeadInsts.end(); I != E; ++I)
2192         if (*I == MI) return;
2193       DeadInsts.push_back(MI);
2194       return;
2195     }
2196
2197     // If the pointer is not the right type, insert a bitcast to the right
2198     // type.
2199     Type *NewTy =
2200       PointerType::get(AI->getType()->getElementType(), AddrSpace);
2201
2202     if (OtherPtr->getType() != NewTy)
2203       OtherPtr = new BitCastInst(OtherPtr, NewTy, OtherPtr->getName(), MI);
2204   }
2205
2206   // Process each element of the aggregate.
2207   bool SROADest = MI->getRawDest() == Inst;
2208
2209   Constant *Zero = Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(MI->getContext()));
2210
2211   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2212     // If this is a memcpy/memmove, emit a GEP of the other element address.
2213     Value *OtherElt = nullptr;
2214     unsigned OtherEltAlign = MemAlignment;
2215
2216     if (OtherPtr) {
2217       Value *Idx[2] = { Zero,
2218                       ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(MI->getContext()), i) };
2219       OtherElt = GetElementPtrInst::CreateInBounds(OtherPtr, Idx,
2220                                               OtherPtr->getName()+"."+Twine(i),
2221                                                    MI);
2222       uint64_t EltOffset;
2223       PointerType *OtherPtrTy = cast<PointerType>(OtherPtr->getType());
2224       Type *OtherTy = OtherPtrTy->getElementType();
2225       if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(OtherTy)) {
2226         EltOffset = DL->getStructLayout(ST)->getElementOffset(i);
2227       } else {
2228         Type *EltTy = cast<SequentialType>(OtherTy)->getElementType();
2229         EltOffset = DL->getTypeAllocSize(EltTy)*i;
2230       }
2231
2232       // The alignment of the other pointer is the guaranteed alignment of the
2233       // element, which is affected by both the known alignment of the whole
2234       // mem intrinsic and the alignment of the element.  If the alignment of
2235       // the memcpy (f.e.) is 32 but the element is at a 4-byte offset, then the
2236       // known alignment is just 4 bytes.
2237       OtherEltAlign = (unsigned)MinAlign(OtherEltAlign, EltOffset);
2238     }
2239
2240     Value *EltPtr = NewElts[i];
2241     Type *EltTy = cast<PointerType>(EltPtr->getType())->getElementType();
2242
2243     // If we got down to a scalar, insert a load or store as appropriate.
2244     if (EltTy->isSingleValueType()) {
2245       if (isa<MemTransferInst>(MI)) {
2246         if (SROADest) {
2247           // From Other to Alloca.
2248           Value *Elt = new LoadInst(OtherElt, "tmp", false, OtherEltAlign, MI);
2249           new StoreInst(Elt, EltPtr, MI);
2250         } else {
2251           // From Alloca to Other.
2252           Value *Elt = new LoadInst(EltPtr, "tmp", MI);
2253           new StoreInst(Elt, OtherElt, false, OtherEltAlign, MI);
2254         }
2255         continue;
2256       }
2257       assert(isa<MemSetInst>(MI));
2258
2259       // If the stored element is zero (common case), just store a null
2260       // constant.
2261       Constant *StoreVal;
2262       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getArgOperand(1))) {
2263         if (CI->isZero()) {
2264           StoreVal = Constant::getNullValue(EltTy);  // 0.0, null, 0, <0,0>
2265         } else {
2266           // If EltTy is a vector type, get the element type.
2267           Type *ValTy = EltTy->getScalarType();
2268
2269           // Construct an integer with the right value.
2270           unsigned EltSize = DL->getTypeSizeInBits(ValTy);
2271           APInt OneVal(EltSize, CI->getZExtValue());
2272           APInt TotalVal(OneVal);
2273           // Set each byte.
2274           for (unsigned i = 0; 8*i < EltSize; ++i) {
2275             TotalVal = TotalVal.shl(8);
2276             TotalVal |= OneVal;
2277           }
2278
2279           // Convert the integer value to the appropriate type.
2280           StoreVal = ConstantInt::get(CI->getContext(), TotalVal);
2281           if (ValTy->isPointerTy())
2282             StoreVal = ConstantExpr::getIntToPtr(StoreVal, ValTy);
2283           else if (ValTy->isFloatingPointTy())
2284             StoreVal = ConstantExpr::getBitCast(StoreVal, ValTy);
2285           assert(StoreVal->getType() == ValTy && "Type mismatch!");
2286
2287           // If the requested value was a vector constant, create it.
2288           if (EltTy->isVectorTy()) {
2289             unsigned NumElts = cast<VectorType>(EltTy)->getNumElements();
2290             StoreVal = ConstantVector::getSplat(NumElts, StoreVal);
2291           }
2292         }
2293         new StoreInst(StoreVal, EltPtr, MI);
2294         continue;
2295       }
2296       // Otherwise, if we're storing a byte variable, use a memset call for
2297       // this element.
2298     }
2299
2300     unsigned EltSize = DL->getTypeAllocSize(EltTy);
2301     if (!EltSize)
2302       continue;
2303
2304     IRBuilder<> Builder(MI);
2305
2306     // Finally, insert the meminst for this element.
2307     if (isa<MemSetInst>(MI)) {
2308       Builder.CreateMemSet(EltPtr, MI->getArgOperand(1), EltSize,
2309                            MI->isVolatile());
2310     } else {
2311       assert(isa<MemTransferInst>(MI));
2312       Value *Dst = SROADest ? EltPtr : OtherElt;  // Dest ptr
2313       Value *Src = SROADest ? OtherElt : EltPtr;  // Src ptr
2314
2315       if (isa<MemCpyInst>(MI))
2316         Builder.CreateMemCpy(Dst, Src, EltSize, OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2317       else
2318         Builder.CreateMemMove(Dst, Src, EltSize,OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2319     }
2320   }
2321   DeadInsts.push_back(MI);
2322 }
2323
2324 /// RewriteStoreUserOfWholeAlloca - We found a store of an integer that
2325 /// overwrites the entire allocation.  Extract out the pieces of the stored
2326 /// integer and store them individually.
2327 void
2328 SROA::RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
2329                                     SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
2330   // Extract each element out of the integer according to its structure offset
2331   // and store the element value to the individual alloca.
2332   Value *SrcVal = SI->getOperand(0);
2333   Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2334   uint64_t AllocaSizeBits = DL->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2335
2336   IRBuilder<> Builder(SI);
2337
2338   // Handle tail padding by extending the operand
2339   if (DL->getTypeSizeInBits(SrcVal->getType()) != AllocaSizeBits)
2340     SrcVal = Builder.CreateZExt(SrcVal,
2341                             IntegerType::get(SI->getContext(), AllocaSizeBits));
2342
2343   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING STORE TO WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *SI
2344                << '\n');
2345
2346   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2347   // have different ways to compute the element offset.
2348   if (StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2349     const StructLayout *Layout = DL->getStructLayout(EltSTy);
2350
2351     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2352       // Get the number of bits to shift SrcVal to get the value.
2353       Type *FieldTy = EltSTy->getElementType(i);
2354       uint64_t Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2355
2356       if (DL->isBigEndian())
2357         Shift = AllocaSizeBits-Shift-DL->getTypeAllocSizeInBits(FieldTy);
2358
2359       Value *EltVal = SrcVal;
2360       if (Shift) {
2361         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2362         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2363       }
2364
2365       // Truncate down to an integer of the right size.
2366       uint64_t FieldSizeBits = DL->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2367
2368       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2369       if (FieldSizeBits == 0) continue;
2370
2371       if (FieldSizeBits != AllocaSizeBits)
2372         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2373                              IntegerType::get(SI->getContext(), FieldSizeBits));
2374       Value *DestField = NewElts[i];
2375       if (EltVal->getType() == FieldTy) {
2376         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2377       } else if (FieldTy->isFloatingPointTy() || FieldTy->isVectorTy()) {
2378         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2379         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, FieldTy);
2380       } else {
2381         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2382         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2383                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2384       }
2385       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2386     }
2387
2388   } else {
2389     ArrayType *ATy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy);
2390     Type *ArrayEltTy = ATy->getElementType();
2391     uint64_t ElementOffset = DL->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2392     uint64_t ElementSizeBits = DL->getTypeSizeInBits(ArrayEltTy);
2393
2394     uint64_t Shift;
2395
2396     if (DL->isBigEndian())
2397       Shift = AllocaSizeBits-ElementOffset;
2398     else
2399       Shift = 0;
2400
2401     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2402       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2403       if (ElementSizeBits == 0) continue;
2404
2405       Value *EltVal = SrcVal;
2406       if (Shift) {
2407         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2408         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2409       }
2410
2411       // Truncate down to an integer of the right size.
2412       if (ElementSizeBits != AllocaSizeBits)
2413         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2414                                      IntegerType::get(SI->getContext(),
2415                                                       ElementSizeBits));
2416       Value *DestField = NewElts[i];
2417       if (EltVal->getType() == ArrayEltTy) {
2418         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2419       } else if (ArrayEltTy->isFloatingPointTy() ||
2420                  ArrayEltTy->isVectorTy()) {
2421         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2422         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, ArrayEltTy);
2423       } else {
2424         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2425         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2426                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2427       }
2428       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2429
2430       if (DL->isBigEndian())
2431         Shift -= ElementOffset;
2432       else
2433         Shift += ElementOffset;
2434     }
2435   }
2436
2437   DeadInsts.push_back(SI);
2438 }
2439
2440 /// RewriteLoadUserOfWholeAlloca - We found a load of the entire allocation to
2441 /// an integer.  Load the individual pieces to form the aggregate value.
2442 void
2443 SROA::RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
2444                                    SmallVectorImpl<AllocaInst *> &NewElts) {
2445   // Extract each element out of the NewElts according to its structure offset
2446   // and form the result value.
2447   Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2448   uint64_t AllocaSizeBits = DL->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2449
2450   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING LOAD OF WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *LI
2451                << '\n');
2452
2453   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2454   // have different ways to compute the element offset.
2455   const StructLayout *Layout = nullptr;
2456   uint64_t ArrayEltBitOffset = 0;
2457   if (StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2458     Layout = DL->getStructLayout(EltSTy);
2459   } else {
2460     Type *ArrayEltTy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy)->getElementType();
2461     ArrayEltBitOffset = DL->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2462   }
2463
2464   Value *ResultVal =
2465     Constant::getNullValue(IntegerType::get(LI->getContext(), AllocaSizeBits));
2466
2467   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2468     // Load the value from the alloca.  If the NewElt is an aggregate, cast
2469     // the pointer to an integer of the same size before doing the load.
2470     Value *SrcField = NewElts[i];
2471     Type *FieldTy =
2472       cast<PointerType>(SrcField->getType())->getElementType();
2473     uint64_t FieldSizeBits = DL->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2474
2475     // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2476     if (FieldSizeBits == 0) continue;
2477
2478     IntegerType *FieldIntTy = IntegerType::get(LI->getContext(),
2479                                                      FieldSizeBits);
2480     if (!FieldTy->isIntegerTy() && !FieldTy->isFloatingPointTy() &&
2481         !FieldTy->isVectorTy())
2482       SrcField = new BitCastInst(SrcField,
2483                                  PointerType::getUnqual(FieldIntTy),
2484                                  "", LI);
2485     SrcField = new LoadInst(SrcField, "sroa.load.elt", LI);
2486
2487     // If SrcField is a fp or vector of the right size but that isn't an
2488     // integer type, bitcast to an integer so we can shift it.
2489     if (SrcField->getType() != FieldIntTy)
2490       SrcField = new BitCastInst(SrcField, FieldIntTy, "", LI);
2491
2492     // Zero extend the field to be the same size as the final alloca so that
2493     // we can shift and insert it.
2494     if (SrcField->getType() != ResultVal->getType())
2495       SrcField = new ZExtInst(SrcField, ResultVal->getType(), "", LI);
2496
2497     // Determine the number of bits to shift SrcField.
2498     uint64_t Shift;
2499     if (Layout) // Struct case.
2500       Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2501     else  // Array case.
2502       Shift = i*ArrayEltBitOffset;
2503
2504     if (DL->isBigEndian())
2505       Shift = AllocaSizeBits-Shift-FieldIntTy->getBitWidth();
2506
2507     if (Shift) {
2508       Value *ShiftVal = ConstantInt::get(SrcField->getType(), Shift);
2509       SrcField = BinaryOperator::CreateShl(SrcField, ShiftVal, "", LI);
2510     }
2511
2512     // Don't create an 'or x, 0' on the first iteration.
2513     if (!isa<Constant>(ResultVal) ||
2514         !cast<Constant>(ResultVal)->isNullValue())
2515       ResultVal = BinaryOperator::CreateOr(SrcField, ResultVal, "", LI);
2516     else
2517       ResultVal = SrcField;
2518   }
2519
2520   // Handle tail padding by truncating the result
2521   if (DL->getTypeSizeInBits(LI->getType()) != AllocaSizeBits)
2522     ResultVal = new TruncInst(ResultVal, LI->getType(), "", LI);
2523
2524   LI->replaceAllUsesWith(ResultVal);
2525   DeadInsts.push_back(LI);
2526 }
2527
2528 /// HasPadding - Return true if the specified type has any structure or
2529 /// alignment padding in between the elements that would be split apart
2530 /// by SROA; return false otherwise.
2531 static bool HasPadding(Type *Ty, const DataLayout &DL) {
2532   if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
2533     Ty = ATy->getElementType();
2534     return DL.getTypeSizeInBits(Ty) != DL.getTypeAllocSizeInBits(Ty);
2535   }
2536
2537   // SROA currently handles only Arrays and Structs.
2538   StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
2539   const StructLayout *SL = DL.getStructLayout(STy);
2540   unsigned PrevFieldBitOffset = 0;
2541   for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
2542     unsigned FieldBitOffset = SL->getElementOffsetInBits(i);
2543
2544     // Check to see if there is any padding between this element and the
2545     // previous one.
2546     if (i) {
2547       unsigned PrevFieldEnd =
2548         PrevFieldBitOffset+DL.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(i-1));
2549       if (PrevFieldEnd < FieldBitOffset)
2550         return true;
2551     }
2552     PrevFieldBitOffset = FieldBitOffset;
2553   }
2554   // Check for tail padding.
2555   if (unsigned EltCount = STy->getNumElements()) {
2556     unsigned PrevFieldEnd = PrevFieldBitOffset +
2557       DL.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(EltCount-1));
2558     if (PrevFieldEnd < SL->getSizeInBits())
2559       return true;
2560   }
2561   return false;
2562 }
2563
2564 /// isSafeStructAllocaToScalarRepl - Check to see if the specified allocation of
2565 /// an aggregate can be broken down into elements.  Return 0 if not, 3 if safe,
2566 /// or 1 if safe after canonicalization has been performed.
2567 bool SROA::isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI) {
2568   // Loop over the use list of the alloca.  We can only transform it if all of
2569   // the users are safe to transform.
2570   AllocaInfo Info(AI);
2571
2572   isSafeForScalarRepl(AI, 0, Info);
2573   if (Info.isUnsafe) {
2574     DEBUG(dbgs() << "Cannot transform: " << *AI << '\n');
2575     return false;
2576   }
2577
2578   // Okay, we know all the users are promotable.  If the aggregate is a memcpy
2579   // source and destination, we have to be careful.  In particular, the memcpy
2580   // could be moving around elements that live in structure padding of the LLVM
2581   // types, but may actually be used.  In these cases, we refuse to promote the
2582   // struct.
2583   if (Info.isMemCpySrc && Info.isMemCpyDst &&
2584       HasPadding(AI->getAllocatedType(), *DL))
2585     return false;
2586
2587   // If the alloca never has an access to just *part* of it, but is accessed
2588   // via loads and stores, then we should use ConvertToScalarInfo to promote
2589   // the alloca instead of promoting each piece at a time and inserting fission
2590   // and fusion code.
2591   if (!Info.hasSubelementAccess && Info.hasALoadOrStore) {
2592     // If the struct/array just has one element, use basic SRoA.
2593     if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
2594       if (ST->getNumElements() > 1) return false;
2595     } else {
2596       if (cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType())->getNumElements() > 1)
2597         return false;
2598     }
2599   }
2600
2601   return true;
2602 }