1692745efeffd0966f786b301ef44e90abb82e12
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
2 //
3 // This file promote memory references to be register references.  It promotes
4 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
5 // transformed by using dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
6 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
7 // This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
8 // SSA form.
9 //
10 //===----------------------------------------------------------------------===//
11
12 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
13 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
14 #include "llvm/iMemory.h"
15 #include "llvm/iPHINode.h"
16 #include "llvm/Function.h"
17 #include "llvm/Constant.h"
18 #include "llvm/Support/CFG.h"
19 #include "Support/StringExtras.h"
20
21 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
22 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca...
23 ///
24 bool isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI, const TargetData &TD) {
25   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
26   // assignments to subsections of the memory unit.
27
28   // Only allow direct loads and stores...
29   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
30        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
31     if (!isa<LoadInst>(*UI))
32       if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
33         if (SI->getOperand(0) == AI)
34           return false;   // Don't allow a store of the AI, only INTO the AI.
35       } else {
36         return false;   // Not a load or store?
37       }
38   
39   return true;
40 }
41
42 namespace {
43   struct PromoteMem2Reg {
44     // Allocas - The alloca instructions being promoted
45     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
46     DominatorTree &DT;
47     DominanceFrontier &DF;
48     const TargetData &TD;
49
50     // AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas
51     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
52
53     // NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
54     std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode*> > NewPhiNodes;
55
56     // Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
57     std::set<BasicBlock*> Visited;
58
59   public:
60     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
61                    DominanceFrontier &df, const TargetData &td)
62       : Allocas(A), DT(dt), DF(df), TD(td) {}
63
64     void run();
65
66   private:
67     void MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
68                                std::set<PHINode*> &DeadPHINodes);
69     void PromoteLocallyUsedAlloca(AllocaInst *AI);
70
71     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
72                     std::vector<Value*> &IncVals);
73     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
74                       std::set<PHINode*> &InsertedPHINodes);
75   };
76 }  // end of anonymous namespace
77
78 void PromoteMem2Reg::run() {
79   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
80
81   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
82     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
83
84     assert(isAllocaPromotable(AI, TD) &&
85            "Cannot promote non-promotable alloca!");
86     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
87            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
88
89     if (AI->use_empty()) {
90       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
91       AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
92
93       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
94       Allocas[AllocaNum] = Allocas.back();
95       Allocas.pop_back();
96       --AllocaNum;
97       continue;
98     }
99
100     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
101     // analogous to counting the number of 'uses' and 'definitions' of each
102     // variable.
103     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
104     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
105
106     BasicBlock *OnlyBlock = 0;
107     bool OnlyUsedInOneBlock = true;
108
109     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores, and
110     // decide whether all of the loads and stores to the alloca are within the
111     // same basic block.
112     for (Value::use_iterator U =AI->use_begin(), E = AI->use_end(); U != E;++U){
113       Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
114       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
115         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
116         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
117       } else {
118         // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable reads
119         UsingBlocks.push_back(cast<LoadInst>(User)->getParent());
120       }
121
122       if (OnlyUsedInOneBlock) {
123         if (OnlyBlock == 0)
124           OnlyBlock = User->getParent();
125         else if (OnlyBlock != User->getParent())
126           OnlyUsedInOneBlock = false;
127       }
128     }
129
130     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
131     // linear sweep over the block to eliminate it.
132     if (OnlyUsedInOneBlock) {
133       PromoteLocallyUsedAlloca(AI);
134
135       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
136       Allocas[AllocaNum] = Allocas.back();
137       Allocas.pop_back();
138       --AllocaNum;
139       continue;
140     }
141
142     // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
143     // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
144     //
145     unsigned CurrentVersion = 0;
146     std::set<PHINode*> InsertedPHINodes;
147     while (!DefiningBlocks.empty()) {
148       BasicBlock *BB = DefiningBlocks.back();
149       DefiningBlocks.pop_back();
150
151       // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
152       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
153       if (it != DF.end()) {
154         const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
155         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(),PE = S.end();
156              P != PE; ++P)
157           if (QueuePhiNode(*P, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
158             DefiningBlocks.push_back(*P);
159       }
160     }
161
162     // Now that we have inserted PHI nodes along the Iterated Dominance Frontier
163     // of the writes to the variable, scan through the reads of the variable,
164     // marking PHI nodes which are actually necessary as alive (by removing them
165     // from the InsertedPHINodes set).  This is not perfect: there may PHI
166     // marked alive because of loads which are dominated by stores, but there
167     // will be no unmarked PHI nodes which are actually used.
168     //
169     for (unsigned i = 0, e = UsingBlocks.size(); i != e; ++i)
170       MarkDominatingPHILive(UsingBlocks[i], AllocaNum, InsertedPHINodes);
171     UsingBlocks.clear();
172
173     // If there are any PHI nodes which are now known to be dead, remove them!
174     for (std::set<PHINode*>::iterator I = InsertedPHINodes.begin(),
175            E = InsertedPHINodes.end(); I != E; ++I) {
176       PHINode *PN = *I;
177       std::vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[PN->getParent()];
178       BBPNs[AllocaNum] = 0;
179
180       // Check to see if we just removed the last inserted PHI node from this
181       // basic block.  If so, remove the entry for the basic block.
182       bool HasOtherPHIs = false;
183       for (unsigned i = 0, e = BBPNs.size(); i != e; ++i)
184         if (BBPNs[i]) {
185           HasOtherPHIs = true;
186           break;
187         }
188       if (!HasOtherPHIs)
189         NewPhiNodes.erase(PN->getParent());
190
191       PN->getParent()->getInstList().erase(PN);      
192     }
193
194     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array. 
195     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
196   }
197   
198   if (Allocas.empty())
199     return; // All of the allocas must have been trivial!
200
201   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
202   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
203   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
204   //
205   std::vector<Value *> Values(Allocas.size());
206   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
207     Values[i] = Constant::getNullValue(Allocas[i]->getAllocatedType());
208
209   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
210   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
211   //
212   RenamePass(F.begin(), 0, Values);
213
214   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
215   Visited.clear();
216
217   // Remove the allocas themselves from the function...
218   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
219     Instruction *A = Allocas[i];
220
221     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
222     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
223     // Just delete the users now.
224     //
225     if (!A->use_empty())
226       A->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(A->getType()));
227     A->getParent()->getInstList().erase(A);
228   }
229
230   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
231   // code.  Unfortunately, there may be blocks which are not reachable, which
232   // the renamer hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
233   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
234   // created, inserting null constants if they are missing any incoming values.
235   //
236   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode *> >::iterator I = 
237          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
238
239     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(I->first), pred_end(I->first));
240     std::vector<PHINode*> &PNs = I->second;
241     assert(!PNs.empty() && "Empty PHI node list??");
242
243     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
244     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
245     // number of incoming values, so we can just check any PHI node.
246     PHINode *FirstPHI;
247     for (unsigned i = 0; (FirstPHI = PNs[i]) == 0; ++i)
248       /*empty*/;
249
250     if (Preds.size() != FirstPHI->getNumIncomingValues()) {
251       // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
252       // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
253       // access.
254       std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
255
256       // Now we loop through all BB's which have entries in FirstPHI and remove
257       // them from the Preds list.
258       for (unsigned i = 0, e = FirstPHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
259         // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
260         std::vector<BasicBlock*>::iterator EntIt =
261           std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
262                            FirstPHI->getIncomingBlock(i));
263         assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == FirstPHI->getIncomingBlock(i)&&
264                "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
265
266         // Remove the entry
267         Preds.erase(EntIt);
268       }
269
270       // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
271       // entries inserted into every PHI nodes for the block.
272       for (unsigned i = 0, e = PNs.size(); i != e; ++i) {
273         PHINode *PN = PNs[i];
274         Value *NullVal = Constant::getNullValue(PN->getType());
275         for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
276           PN->addIncoming(NullVal, Preds[pred]);
277       }
278     }
279   }
280 }
281
282 // MarkDominatingPHILive - Mem2Reg wants to construct "pruned" SSA form, not
283 // "minimal" SSA form.  To do this, it inserts all of the PHI nodes on the IDF
284 // as usual (inserting the PHI nodes in the DeadPHINodes set), then processes
285 // each read of the variable.  For each block that reads the variable, this
286 // function is called, which removes used PHI nodes from the DeadPHINodes set.
287 // After all of the reads have been processed, any PHI nodes left in the
288 // DeadPHINodes set are removed.
289 //
290 void PromoteMem2Reg::MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
291                                            std::set<PHINode*> &DeadPHINodes) {
292   // Scan the immediate dominators of this block looking for a block which has a
293   // PHI node for Alloca num.  If we find it, mark the PHI node as being alive!
294   for (DominatorTree::Node *N = DT[BB]; N; N = N->getIDom()) {
295     BasicBlock *DomBB = N->getBlock();
296     std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode*> >::iterator
297       I = NewPhiNodes.find(DomBB);
298     if (I != NewPhiNodes.end() && I->second[AllocaNum]) {
299       // Ok, we found an inserted PHI node which dominates this value.
300       PHINode *DominatingPHI = I->second[AllocaNum];
301
302       // Find out if we previously thought it was dead.
303       std::set<PHINode*>::iterator DPNI = DeadPHINodes.find(DominatingPHI);
304       if (DPNI != DeadPHINodes.end()) {
305         // Ok, until now, we thought this PHI node was dead.  Mark it as being
306         // alive/needed.
307         DeadPHINodes.erase(DPNI);
308
309         // Now that we have marked the PHI node alive, also mark any PHI nodes
310         // which it might use as being alive as well.
311         for (pred_iterator PI = pred_begin(DomBB), PE = pred_end(DomBB);
312              PI != PE; ++PI)
313           MarkDominatingPHILive(*PI, AllocaNum, DeadPHINodes);
314       }
315     }
316   }
317 }
318
319 // PromoteLocallyUsedAlloca - Many allocas are only used within a single basic
320 // block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
321 // potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
322 // the basic block using the Alloca.
323 //
324 void PromoteMem2Reg::PromoteLocallyUsedAlloca(AllocaInst *AI) {
325   assert(!AI->use_empty() && "There are no uses of the alloca!");
326
327   // Uses of the uninitialized memory location shall get zero...
328   Value *CurVal = Constant::getNullValue(AI->getAllocatedType());
329   
330   BasicBlock *BB = cast<Instruction>(AI->use_back())->getParent();
331
332   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
333     Instruction *Inst = I++;
334     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
335       if (LI->getOperand(0) == AI) {
336         // Loads just return the "current value"...
337         LI->replaceAllUsesWith(CurVal);
338         BB->getInstList().erase(LI);
339       }
340     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
341       if (SI->getOperand(1) == AI) {
342         // Loads just update the "current value"...
343         CurVal = SI->getOperand(0);
344         BB->getInstList().erase(SI);
345       }
346     }
347   }
348
349   // After traversing the basic block, there should be no more uses of the
350   // alloca, remove it now.
351   assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
352   AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
353 }
354
355 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
356 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
357 //
358 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
359                                   unsigned &Version,
360                                   std::set<PHINode*> &InsertedPHINodes) {
361   // Look up the basic-block in question
362   std::vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
363   if (BBPNs.empty()) BBPNs.resize(Allocas.size());
364
365   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
366   if (BBPNs[AllocaNo]) return false;
367
368   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
369   // BasicBlock.
370   BBPNs[AllocaNo] = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
371                                 Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
372                                         utostr(Version++), BB->begin());
373   InsertedPHINodes.insert(BBPNs[AllocaNo]);
374   return true;
375 }
376
377
378 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
379 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
380 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
381 //
382 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
383                                 std::vector<Value*> &IncomingVals) {
384
385   // If this BB needs a PHI node, update the PHI node for each variable we need
386   // PHI nodes for.
387   std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode *> >::iterator
388     BBPNI = NewPhiNodes.find(BB);
389   if (BBPNI != NewPhiNodes.end()) {
390     std::vector<PHINode *> &BBPNs = BBPNI->second;
391     for (unsigned k = 0; k != BBPNs.size(); ++k)
392       if (PHINode *PN = BBPNs[k]) {
393         // Add this incoming value to the PHI node.
394         PN->addIncoming(IncomingVals[k], Pred);
395
396         // The currently active variable for this block is now the PHI.
397         IncomingVals[k] = PN;
398       }
399   }
400
401   // don't revisit nodes
402   if (Visited.count(BB)) return;
403   
404   // mark as visited
405   Visited.insert(BB);
406
407   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
408     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
409
410     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
411       if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand())) {
412         std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
413         if (AI != AllocaLookup.end()) {
414           Value *V = IncomingVals[AI->second];
415
416           // walk the use list of this load and replace all uses with r
417           LI->replaceAllUsesWith(V);
418           BB->getInstList().erase(LI);
419         }
420       }
421     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
422       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
423       // value
424       if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand())) {
425         std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
426         if (ai != AllocaLookup.end()) {
427           // what value were we writing?
428           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
429           BB->getInstList().erase(SI);
430         }
431       }
432     }
433   }
434
435   // Recurse to our successors.
436   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
437   for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++) {
438     std::vector<Value*> OutgoingVals(IncomingVals);
439     RenamePass(TI->getSuccessor(i), BB, OutgoingVals);
440   }
441 }
442
443 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
444 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
445 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
446 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
447 ///
448 void PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
449                      DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
450                      const TargetData &TD) {
451   // If there is nothing to do, bail out...
452   if (Allocas.empty()) return;
453   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, TD).run();
454 }