* Minor cleanups
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert memory refs to regs ----------===//
2 //
3 // This file is used to promote memory references to be register references.  A
4 // simple example of the transformation performed by this function is:
5 //
6 //        FROM CODE                           TO CODE
7 //   %X = alloca int, uint 1                 ret int 42
8 //   store int 42, int *%X
9 //   %Y = load int* %X
10 //   ret int %Y
11 //
12 // The code is transformed by looping over all of the alloca instruction,
13 // calculating dominator frontiers, then inserting phi-nodes following the usual
14 // SSA construction algorithm.  This code does not modify the CFG of the
15 // function.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
20 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
21 #include "llvm/iMemory.h"
22 #include "llvm/iPHINode.h"
23 #include "llvm/iTerminators.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/Constant.h"
26 #include "llvm/Type.h"
27 #include "llvm/Support/CFG.h"
28 #include "Support/StringExtras.h"
29
30 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
31 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca...
32 ///
33 bool isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI, const TargetData &TD) {
34   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
35   // assignments to subsections of the memory unit.
36
37   // Only allow direct loads and stores...
38   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
39        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
40     if (!isa<LoadInst>(*UI))
41       if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
42         if (SI->getOperand(0) == AI)
43           return false;   // Don't allow a store of the AI, only INTO the AI.
44       } else {
45         return false;   // Not a load or store?
46       }
47   
48   return true;
49 }
50
51
52 namespace {
53   struct PromoteMem2Reg {
54     const std::vector<AllocaInst*> &Allocas;        // the alloca instructions..
55     std::vector<unsigned> VersionNumbers;           // Current version counters
56     DominanceFrontier &DF;
57     const TargetData &TD;
58
59     std::map<Instruction*, unsigned>  AllocaLookup; // reverse mapping of above
60     
61     std::vector<std::vector<BasicBlock*> > PhiNodes;// Idx corresponds 2 Allocas
62     
63     // NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
64     std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode*> > NewPhiNodes;
65
66     // Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
67     std::set<BasicBlock*> Visited;
68
69   public:
70     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominanceFrontier &df,
71                    const TargetData &td) : Allocas(A), DF(df), TD(td) {}
72
73     void run();
74
75   private:
76     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
77                     std::vector<Value*> &IncVals);
78     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx);
79   };
80 }  // end of anonymous namespace
81
82
83 void PromoteMem2Reg::run() {
84   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
85
86   VersionNumbers.resize(Allocas.size());
87
88   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
89     assert(isAllocaPromotable(Allocas[i], TD) &&
90            "Cannot promote non-promotable alloca!");
91     assert(Allocas[i]->getParent()->getParent() == &F &&
92            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
93     AllocaLookup[Allocas[i]] = i;
94   }
95
96   // Calculate the set of write-locations for each alloca.  This is analogous to
97   // counting the number of 'redefinitions' of each variable.
98   std::vector<std::vector<BasicBlock*> > WriteSets;// Idx corresponds to Allocas
99   WriteSets.resize(Allocas.size());
100   for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
101     AllocaInst *AI = Allocas[i];
102     for (Value::use_iterator U =AI->use_begin(), E = AI->use_end(); U != E; ++U)
103       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*U))
104         // jot down the basic-block it came from
105         WriteSets[i].push_back(SI->getParent());
106   }
107
108   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
109   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in
110   //
111   PhiNodes.resize(Allocas.size());
112   for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
113     for (unsigned j = 0; j != WriteSets[i].size(); j++) {
114       // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
115       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(WriteSets[i][j]);
116       if (it != DF.end()) {
117         const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
118         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(),PE = S.end();
119              P != PE; ++P)
120           QueuePhiNode(*P, i);
121       }
122     }
123     
124     // Perform iterative step
125     for (unsigned k = 0; k != PhiNodes[i].size(); k++) {
126       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(PhiNodes[i][k]);
127       if (it != DF.end()) {
128         const DominanceFrontier::DomSetType     &S = it->second;
129         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(),PE = S.end();
130              P != PE; ++P)
131           QueuePhiNode(*P, i);
132       }
133     }
134   }
135
136   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
137   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
138   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
139   //
140   std::vector<Value *> Values(Allocas.size());
141   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
142     Values[i] = Constant::getNullValue(Allocas[i]->getAllocatedType());
143
144   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
145   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
146   //
147   RenamePass(F.begin(), 0, Values);
148   Visited.clear();
149
150   // Remove the allocas themselves from the function...
151   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
152     Instruction *A = Allocas[i];
153
154     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
155     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
156     // Just delete the users now.
157     //
158     if (!A->use_empty())
159       A->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(A->getType()));
160     A->getParent()->getInstList().erase(A);
161   }
162 }
163
164
165 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
166 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
167 //
168 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo) {
169   // Look up the basic-block in question
170   std::vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
171   if (BBPNs.empty()) BBPNs.resize(Allocas.size());
172
173   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
174   if (BBPNs[AllocaNo]) return false;
175
176   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
177   // BasicBlock.
178   PHINode *PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
179                             Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
180                                       utostr(VersionNumbers[AllocaNo]++),
181                             BB->begin());
182
183   // Add null incoming values for all predecessors.  This ensures that if one of
184   // the predecessors is not found in the depth-first traversal of the CFG (ie,
185   // because it is an unreachable predecessor), that all PHI nodes will have the
186   // correct number of entries for their predecessors.
187   Value *NullVal = Constant::getNullValue(PN->getType());
188
189   // This is necessary because adding incoming values to the PHI node adds uses
190   // to the basic blocks being used, which can invalidate the predecessor
191   // iterator!
192   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
193   for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
194     PN->addIncoming(NullVal, Preds[i]);
195
196   BBPNs[AllocaNo] = PN;
197   PhiNodes[AllocaNo].push_back(BB);
198   return true;
199 }
200
201 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
202                                 std::vector<Value*> &IncomingVals) {
203   // If this is a BB needing a phi node, lookup/create the phinode for each
204   // variable we need phinodes for.
205   std::vector<PHINode *> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
206   for (unsigned k = 0; k != BBPNs.size(); ++k)
207     if (PHINode *PN = BBPNs[k]) {
208       // The PHI node may have multiple entries for this predecessor.  We must
209       // make sure we update all of them.
210       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumOperands(); i != e; i += 2) {
211         if (PN->getOperand(i+1) == Pred)
212           // At this point we can assume that the array has phi nodes.. let's
213           // update the incoming data.
214           PN->setOperand(i, IncomingVals[k]);
215       }
216       // also note that the active variable IS designated by the phi node
217       IncomingVals[k] = PN;
218     }
219
220   // don't revisit nodes
221   if (Visited.count(BB)) return;
222   
223   // mark as visited
224   Visited.insert(BB);
225
226   BasicBlock::iterator II = BB->begin();
227   while (1) {
228     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
229
230     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
231       if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand())) {
232         std::map<Instruction*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
233         if (AI != AllocaLookup.end()) {
234           Value *V = IncomingVals[AI->second];
235
236           // walk the use list of this load and replace all uses with r
237           LI->replaceAllUsesWith(V);
238           BB->getInstList().erase(LI);
239         }
240       }
241     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
242       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
243       // value
244       if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand())) {
245         std::map<Instruction *, unsigned>::iterator ai =AllocaLookup.find(Dest);
246         if (ai != AllocaLookup.end()) {
247           // what value were we writing?
248           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
249           BB->getInstList().erase(SI);
250         }
251       }
252       
253     } else if (TerminatorInst *TI = dyn_cast<TerminatorInst>(I)) {
254       // Recurse across our successors
255       for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++) {
256         std::vector<Value*> OutgoingVals(IncomingVals);
257         RenamePass(TI->getSuccessor(i), BB, OutgoingVals);
258       }
259       break;
260     }
261   }
262 }
263
264 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
265 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
266 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
267 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
268 ///
269 void PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
270                      DominanceFrontier &DF, const TargetData &TD) {
271   // If there is nothing to do, bail out...
272   if (Allocas.empty()) return;
273   PromoteMem2Reg(Allocas, DF, TD).run();
274 }