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