Get rid of static constructors for pass registration. Instead, every pass exposes...
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
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 file transforms calls of the current function (self recursion) followed
11 // by a return instruction with a branch to the entry of the function, creating
12 // a loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
13 // algorithm:
14 //
15 //  1. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
16 //     transformation from taking place, though currently the analysis cannot
17 //     support moving any really useful instructions (only dead ones).
18 //  2. This pass transforms functions that are prevented from being tail
19 //     recursive by an associative and commutative expression to use an
20 //     accumulator variable, thus compiling the typical naive factorial or
21 //     'fib' implementation into efficient code.
22 //  3. TRE is performed if the function returns void, if the return
23 //     returns the result returned by the call, or if the function returns a
24 //     run-time constant on all exits from the function.  It is possible, though
25 //     unlikely, that the return returns something else (like constant 0), and
26 //     can still be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in
27 //     the function return the exact same value.
28 //  4. If it can prove that callees do not access their caller stack frame,
29 //     they are marked as eligible for tail call elimination (by the code
30 //     generator).
31 //
32 // There are several improvements that could be made:
33 //
34 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
35 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
36 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
37 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
38 //     function does not read or write the stack object.
39 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately preceeds the
40 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
41 //     the call and the return.
42 //  3. There can be intervening operations between the call and the return that
43 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
44 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
45 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
46 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
47 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
48 //  4. The algorithm we use to detect if callees access their caller stack
49 //     frames is very primitive.
50 //
51 //===----------------------------------------------------------------------===//
52
53 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
54 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
55 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
56 #include "llvm/Constants.h"
57 #include "llvm/DerivedTypes.h"
58 #include "llvm/Function.h"
59 #include "llvm/Instructions.h"
60 #include "llvm/Pass.h"
61 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
62 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
63 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
64 #include "llvm/Support/CallSite.h"
65 #include "llvm/Support/CFG.h"
66 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
67 using namespace llvm;
68
69 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
70 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
71
72 namespace {
73   struct TailCallElim : public FunctionPass {
74     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
75     TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
76       initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
77     }
78
79     virtual bool runOnFunction(Function &F);
80
81   private:
82     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
83                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
84                                SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
85                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
86     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
87     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
88   };
89 }
90
91 char TailCallElim::ID = 0;
92 INITIALIZE_PASS(TailCallElim, "tailcallelim",
93                 "Tail Call Elimination", false, false)
94
95 // Public interface to the TailCallElimination pass
96 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
97   return new TailCallElim();
98 }
99
100 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
101 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
102 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
103 /// call sites if desired.
104 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
105   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
106   return true;
107 }
108
109 /// CheckForEscapingAllocas - Scan the specified basic block for alloca
110 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
111 /// true.
112 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
113                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
114   bool RetVal = false;
115   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
116     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
117       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
118
119       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
120       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
121       // with this mechanism.
122       if (BB != &BB->getParent()->getEntryBlock() ||
123           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
124         CannotTCETailMarkedCall = true;
125     }
126   return RetVal;
127 }
128
129 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
130   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
131   // right, so don't even try to convert it...
132   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
133
134   BasicBlock *OldEntry = 0;
135   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
136   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
137   bool MadeChange = false;
138
139   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
140
141   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
142   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
143   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
144   // doesn't).
145   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
146
147   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
148   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
149   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
150     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
151       break;
152
153     FunctionContainsEscapingAllocas |=
154       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
155   }
156   
157   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
158   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
159   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
160   /// happen.  This bug is PR962.
161   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
162     return false;
163
164   // Second pass, change any tail calls to loops.
165   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
166     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
167       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
168                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
169
170   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
171   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
172   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
173   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
174   // call.
175   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
176     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
177       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
178
179       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
180       if (Value *PNV = PN->hasConstantValue()) {
181         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
182         PN->eraseFromParent();
183       }
184     }
185   }
186
187   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
188   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
189   // them to access).
190   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
191     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
192       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
193         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
194           CI->setTailCall();
195           MadeChange = true;
196         }
197
198   return MadeChange;
199 }
200
201
202 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
203 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
204 /// instructions between the call and this instruction are movable.
205 ///
206 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
207   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
208   // call does not mod/ref the memory location being processed.
209   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
210     return false;
211   
212   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
213     // Loads may always be moved above calls without side effects.
214     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
215       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
216       // does not write to memory and the load provably won't trap.
217       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
218       // being loaded from.
219       if (CI->mayWriteToMemory() ||
220           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
221                                        L->getAlignment()))
222         return false;
223     }
224   }
225
226   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
227   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
228   // return value of the call, it must only use things that are defined before
229   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
230   // itself.
231   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
232     if (I->getOperand(i) == CI)
233       return false;
234   return true;
235 }
236
237 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
238 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
239 // function was executed.
240 //
241 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
242 // part of the recursion.
243 //
244 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
245   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
246
247   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
248   // will be available to initialize the accumulator.
249   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
250     // Figure out which argument number this is...
251     unsigned ArgNo = 0;
252     Function *F = CI->getParent()->getParent();
253     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
254       ++ArgNo;
255
256     // If we are passing this argument into call as the corresponding
257     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
258     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
259     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
260       return true;
261   }
262
263   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
264   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
265   // effectively constant.
266   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
267     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
268       if (SI->getCondition() == V)
269         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
270
271   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
272   return false;
273 }
274
275 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
276 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
277 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
278 //
279 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
280   Function *F = CI->getParent()->getParent();
281   Value *ReturnedValue = 0;
282
283   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI) {
284     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator());
285     if (RI == 0 || RI == IgnoreRI) continue;
286
287     // We can only perform this transformation if the value returned is
288     // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
289     // instead of at the end of the evaluation.
290     //
291     Value *RetOp = RI->getOperand(0);
292     if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
293       return 0;
294
295     if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
296       return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
297     ReturnedValue = RetOp;
298   }
299   return ReturnedValue;
300 }
301
302 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
303 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
304 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
305 ///
306 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
307                                                       CallInst *CI) {
308   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return 0;
309   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
310          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
311
312   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
313   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
314       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
315     return 0;
316
317   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
318   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
319     return 0;
320
321   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
322   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
323   // transform the function safely.
324   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
325 }
326
327 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
328                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
329                                          SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
330                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
331   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
332   Function *F = BB->getParent();
333
334   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
335     return false;
336   
337   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
338   // this block.  If so, set CI to it.
339   CallInst *CI;
340   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
341   while (1) {
342     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
343     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
344       break;
345
346     if (BBI == BB->begin())
347       return false;          // Didn't find a potential tail call.
348     --BBI;
349   }
350
351   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
352   // the function, we cannot perform this optimization.
353   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
354     return false;
355
356   // As a special case, detect code like this:
357   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
358   // and disable this xform in this case, because the code generator will
359   // lower the call to fabs into inline code.
360   if (BB == &F->getEntryBlock() && 
361       &BB->front() == CI && &*++BB->begin() == Ret &&
362       callIsSmall(F)) {
363     // A single-block function with just a call and a return. Check that
364     // the arguments match.
365     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
366                            E = CallSite(CI).arg_end();
367     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
368                            FE = F->arg_end();
369     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
370       if (*I != &*FI) break;
371     if (I == E && FI == FE)
372       return false;
373   }
374
375   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
376   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
377   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
378   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
379   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
380   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
381   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
382   // which is different to the constant returned by other return instructions
383   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
384   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
385   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
386   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
387
388   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
389   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
390   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
391   // Check that this is the case now.
392   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
393     if (CanMoveAboveCall(BBI, CI)) continue;
394     
395     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
396     // is an associative and commutative operation that could be tranformed
397     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
398     // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
399     if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
400                            CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
401       // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
402       // accumulates.
403       AccumulatorRecursionInstr = BBI;
404     } else {
405       return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
406     }
407   }
408
409   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
410   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
411   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
412   // accumulator recursion variable eliminated.
413   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
414       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
415       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
416       !getCommonReturnValue(0, CI)) {
417     // One case remains that we are able to handle: the current return
418     // instruction returns a constant, and all other return instructions
419     // return a different constant.
420     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
421       return false; // Current return instruction does not return a constant.
422     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
423     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
424     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
425     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
426       return false;
427   }
428
429   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
430   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
431   if (OldEntry == 0) {
432     OldEntry = &F->getEntryBlock();
433     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
434     NewEntry->takeName(OldEntry);
435     OldEntry->setName("tailrecurse");
436     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
437
438     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
439     // entry block, move them up to the new entry block.
440     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
441     if (TailCallsAreMarkedTail)
442       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
443       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
444              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
445         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
446           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
447             AI->moveBefore(NEBI);
448
449     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
450     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
451     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
452     // which are passed in.
453     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
454     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
455          I != E; ++I) {
456       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(),
457                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
458       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
459       PN->addIncoming(I, NewEntry);
460       ArgumentPHIs.push_back(PN);
461     }
462   }
463
464   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
465   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
466   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
467   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
468   // slightly better here in the case that the function has no entry block
469   // allocas.
470   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
471     return false;
472
473   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
474   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
475   // parameters passed into the tail-recursive call.
476   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
477     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
478
479   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
480   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
481   // eliminations will happen on this function because of the way the
482   // accumulator recursion predicate is set up.
483   //
484   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
485     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
486     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
487     PHINode *AccPN =
488       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
489                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
490
491     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
492     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
493     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
494     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
495     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
496     // it will not show up as a predecessor.
497     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
498          PI != PE; ++PI) {
499       BasicBlock *P = *PI;
500       if (P == &F->getEntryBlock())
501         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
502       else
503         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
504     }
505
506     if (AccRecInstr) {
507       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
508       // our associative and commutative accumulator instruction.
509       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
510
511       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
512       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
513       // inserted.
514       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
515     } else {
516       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
517       // constant returned by the current return instruction.
518       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
519     }
520
521     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
522     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
523     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
524     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
525       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
526         RI->setOperand(0, AccPN);
527     ++NumAccumAdded;
528   }
529
530   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
531   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
532   BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
533   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
534   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
535   ++NumEliminated;
536   return true;
537 }