Cleanup and restructure the code to make it easier to read and maintain.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
2 // 
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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 //
19 // There are several improvements that could be made:
20 //
21 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
22 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
23 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
24 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
25 //     function does not read or write the stack object.
26 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately preceeds the
27 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
28 //     the call and the return.
29 //  3. TRE is only performed if the function returns void or if the return
30 //     returns the result returned by the call.  It is possible, but unlikely,
31 //     that the return returns something else (like constant 0), and can still
32 //     be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in the
33 //     function return the exact same value.
34 //  4. There can be intervening operations between the call and the return that
35 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
36 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
37 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
38 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
39 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
40 //  5. This pass could transform functions that are prevented from being tail
41 //     recursive by a commutative expression to use an accumulator helper
42 //     function, thus compiling the typical naive factorial or 'fib'
43 //     implementation into efficient code.
44 //
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
48 #include "llvm/DerivedTypes.h"
49 #include "llvm/Function.h"
50 #include "llvm/Instructions.h"
51 #include "llvm/Pass.h"
52 #include "Support/Statistic.h"
53 using namespace llvm;
54
55 namespace {
56   Statistic<> NumEliminated("tailcallelim", "Number of tail calls removed");
57
58   struct TailCallElim : public FunctionPass {
59     virtual bool runOnFunction(Function &F);
60
61   private:
62     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
63                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs);
64     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
65   };
66   RegisterOpt<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
67 }
68
69 // Public interface to the TailCallElimination pass
70 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
71   return new TailCallElim();
72 }
73
74
75 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
76   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
77   // right, so don't even try to convert it...
78   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
79
80   BasicBlock *OldEntry = 0;
81   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
82   bool MadeChange = false;
83
84   // Loop over the function, looking for any returning blocks...
85   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
86     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
87       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, ArgumentPHIs);
88   
89   return MadeChange;
90 }
91
92
93 // CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
94 // instruction from after the call to before the call, assuming that all
95 // instructions between the call and this instruction are movable.
96 //
97 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
98   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
99   // call does not mod/ref the memory location being processed.
100   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
101     return false;
102
103   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
104   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
105   // return value of the call, it must only use things that are defined before
106   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
107   // itself.
108   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
109     if (I->getOperand(i) == CI)
110       return false;
111   return true;
112 }
113
114
115 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
116                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs) {
117   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
118   Function *F = BB->getParent();
119
120   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
121     return false;
122
123   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
124   // this block.  If so, set CI to it.
125   CallInst *CI;
126   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
127   while (1) {
128     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
129     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
130       break;
131
132     if (BBI == BB->begin())
133       return false;          // Didn't find a potential tail call.
134     --BBI;
135   }
136
137   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
138   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
139   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
140   // Check that this is the case now.
141   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
142     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI))
143       return false;   // Cannot move this instruction out of the way.
144
145   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
146   // of the call and return void, or return the value returned by the tail call.
147   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI)
148     return false;
149
150   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
151   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
152   if (OldEntry == 0) {
153     OldEntry = &F->getEntryBlock();
154     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
155     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, OldEntry);
156     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
157     
158     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
159     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
160     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
161     // which are passed in.
162     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
163     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I) {
164       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
165       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
166       PN->addIncoming(I, NewEntry);
167       ArgumentPHIs.push_back(PN);
168     }
169   }
170   
171   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
172   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
173   // parameters passed into the tail-recursive call.
174   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
175     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
176   
177   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
178   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
179   new BranchInst(OldEntry, Ret);
180   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
181   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
182   NumEliminated++;
183   return true;
184 }