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