Speed up instsimplify by about 10-15% by not bothering to retry
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
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 promotes memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
13 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
14 // This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
15 // SSA form.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
20 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
21 #include "llvm/Constants.h"
22 #include "llvm/DerivedTypes.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/Instructions.h"
25 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
26 #include "llvm/Metadata.h"
27 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
28 #include "llvm/Analysis/DebugInfo.h"
29 #include "llvm/Analysis/DominanceFrontier.h"
30 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
31 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
36 #include "llvm/Support/CFG.h"
37 #include <algorithm>
38 using namespace llvm;
39
40 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
41 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
42 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
43 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
44
45 namespace llvm {
46 template<>
47 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
48   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
49   static inline EltTy getEmptyKey() {
50     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
51   }
52   static inline EltTy getTombstoneKey() {
53     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
54   }
55   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
56     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
57   }
58   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
59     return LHS == RHS;
60   }
61 };
62 }
63
64 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
65 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
66 ///
67 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
68   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
69   // assignments to subsections of the memory unit.
70
71   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
72   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
73        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
74     const User *U = *UI;
75     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
76       if (LI->isVolatile())
77         return false;
78     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
79       if (SI->getOperand(0) == AI)
80         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
81       if (SI->isVolatile())
82         return false;
83     } else {
84       return false;
85     }
86   }
87
88   return true;
89 }
90
91 /// FindAllocaDbgDeclare - Finds the llvm.dbg.declare intrinsic describing the
92 /// alloca 'V', if any.
93 static DbgDeclareInst *FindAllocaDbgDeclare(Value *V) {
94   if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(V->getContext(), &V, 1))
95     for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
96          E = DebugNode->use_end(); UI != E; ++UI)
97       if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
98         return DDI;
99
100   return 0;
101 }
102
103 namespace {
104   struct AllocaInfo;
105
106   // Data package used by RenamePass()
107   class RenamePassData {
108   public:
109     typedef std::vector<Value *> ValVector;
110     
111     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
112     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
113                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
114     BasicBlock *BB;
115     BasicBlock *Pred;
116     ValVector Values;
117     
118     void swap(RenamePassData &RHS) {
119       std::swap(BB, RHS.BB);
120       std::swap(Pred, RHS.Pred);
121       Values.swap(RHS.Values);
122     }
123   };
124   
125   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
126   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
127   ///
128   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
129   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
130   class LargeBlockInfo {
131     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
132     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
133     /// the start of the block.
134     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
135   public:
136     
137     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
138     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
139       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
140              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
141     }
142     
143     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
144     /// instruction.
145     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
146       assert(isInterestingInstruction(I) &&
147              "Not a load/store to/from an alloca?");
148       
149       // If we already have this instruction number, return it.
150       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
151       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
152       
153       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
154       // information for every interesting instruction in the block, in order to
155       // avoid gratuitus rescans.
156       const BasicBlock *BB = I->getParent();
157       unsigned InstNo = 0;
158       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
159            BBI != E; ++BBI)
160         if (isInterestingInstruction(BBI))
161           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
162       It = InstNumbers.find(I);
163       
164       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
165       return It->second;
166     }
167     
168     void deleteValue(const Instruction *I) {
169       InstNumbers.erase(I);
170     }
171     
172     void clear() {
173       InstNumbers.clear();
174     }
175   };
176
177   struct PromoteMem2Reg {
178     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
179     ///
180     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
181     DominatorTree &DT;
182     DominanceFrontier &DF;
183     DIFactory *DIF;
184
185     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
186     ///
187     AliasSetTracker *AST;
188     
189     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
190     ///
191     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
192
193     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
194     ///
195     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
196     
197     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
198     /// it corresponds to.
199     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
200     
201     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
202     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
203     /// to the inserted PHI nodes here.
204     ///
205     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
206
207     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
208     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
209     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
210     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
211
212     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
213     ///
214     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
215
216     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
217     /// non-determinstic behavior.
218     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
219
220     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
221     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
222   public:
223     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
224                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
225       : Allocas(A), DT(dt), DF(df), DIF(0), AST(ast) {}
226     ~PromoteMem2Reg() {
227       delete DIF;
228     }
229
230     void run();
231
232     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
233     ///
234     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
235       return DT.dominates(BB1, BB2);
236     }
237
238   private:
239     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
240       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
241       Allocas.pop_back();
242       --AllocaIdx;
243     }
244
245     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
246       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
247       if (NP == 0)
248         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
249       return NP-1;
250     }
251
252     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
253                                  AllocaInfo &Info);
254     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
255                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
256                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
257     
258     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
259                                   LargeBlockInfo &LBI);
260     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
261                                   LargeBlockInfo &LBI);
262     void ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI, StoreInst *SI);
263
264     
265     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
266                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
267                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
268     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
269   };
270   
271   struct AllocaInfo {
272     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
273     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
274     
275     StoreInst  *OnlyStore;
276     BasicBlock *OnlyBlock;
277     bool OnlyUsedInOneBlock;
278     
279     Value *AllocaPointerVal;
280     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
281     
282     void clear() {
283       DefiningBlocks.clear();
284       UsingBlocks.clear();
285       OnlyStore = 0;
286       OnlyBlock = 0;
287       OnlyUsedInOneBlock = true;
288       AllocaPointerVal = 0;
289       DbgDeclare = 0;
290     }
291     
292     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
293     /// ivars.
294     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
295       clear();
296
297       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
298       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
299       // the same basic block.
300       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
301            UI != E;)  {
302         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
303
304         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
305           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
306           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
307           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
308           OnlyStore = SI;
309         } else {
310           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
311           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
312           // reads.
313           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
314           AllocaPointerVal = LI;
315         }
316         
317         if (OnlyUsedInOneBlock) {
318           if (OnlyBlock == 0)
319             OnlyBlock = User->getParent();
320           else if (OnlyBlock != User->getParent())
321             OnlyUsedInOneBlock = false;
322         }
323       }
324       
325       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
326     }
327   };
328 }  // end of anonymous namespace
329
330
331 void PromoteMem2Reg::run() {
332   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
333
334   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
335   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
336
337   AllocaInfo Info;
338   LargeBlockInfo LBI;
339
340   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
341     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
342
343     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
344            "Cannot promote non-promotable alloca!");
345     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
346            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
347
348     if (AI->use_empty()) {
349       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
350       if (AST) AST->deleteValue(AI);
351       AI->eraseFromParent();
352
353       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
354       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
355       ++NumDeadAlloca;
356       continue;
357     }
358     
359     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
360     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
361     Info.AnalyzeAlloca(AI);
362
363     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
364     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
365     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
366       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
367
368       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
369       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
370         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's debuginfo.
371         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
372           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore);
373           DDI->eraseFromParent();
374         }
375         // Remove the (now dead) store and alloca.
376         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
377         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
378
379         if (AST) AST->deleteValue(AI);
380         AI->eraseFromParent();
381         LBI.deleteValue(AI);
382         
383         // The alloca has been processed, move on.
384         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
385         
386         ++NumSingleStore;
387         continue;
388       }
389     }
390     
391     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
392     // linear sweep over the block to eliminate it.
393     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
394       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
395       
396       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
397       // left.
398       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
399         
400         // Remove the (now dead) stores and alloca.
401         while (!AI->use_empty()) {
402           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
403           // Record debuginfo for the store before removing it.
404           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
405             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
406           SI->eraseFromParent();
407           LBI.deleteValue(SI);
408         }
409         
410         if (AST) AST->deleteValue(AI);
411         AI->eraseFromParent();
412         LBI.deleteValue(AI);
413         
414         // The alloca has been processed, move on.
415         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
416         
417         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
418         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
419           DDI->eraseFromParent();
420
421         ++NumLocalPromoted;
422         continue;
423       }
424     }
425     
426     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
427     // now.
428     if (BBNumbers.empty()) {
429       unsigned ID = 0;
430       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
431         BBNumbers[I] = ID++;
432     }
433
434     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
435     // stored into the alloca.
436     if (AST)
437       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
438       
439     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
440     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
441     
442     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
443     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
444
445     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
446     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
447     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
448     // dead phi nodes.
449     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
450   }
451
452   if (Allocas.empty())
453     return; // All of the allocas must have been trivial!
454
455   LBI.clear();
456   
457   
458   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
459   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
460   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
461   //
462   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
463   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
464     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
465
466   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
467   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
468   //
469   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
470   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
471   do {
472     RenamePassData RPD;
473     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
474     RenamePassWorkList.pop_back();
475     // RenamePass may add new worklist entries.
476     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
477   } while (!RenamePassWorkList.empty());
478   
479   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
480   Visited.clear();
481
482   // Remove the allocas themselves from the function.
483   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
484     Instruction *A = Allocas[i];
485
486     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
487     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
488     // Just delete the users now.
489     //
490     if (!A->use_empty())
491       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
492     if (AST) AST->deleteValue(A);
493     A->eraseFromParent();
494   }
495
496   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
497   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
498     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
499       DDI->eraseFromParent();
500
501   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
502   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
503   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
504   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
505   bool EliminatedAPHI = true;
506   while (EliminatedAPHI) {
507     EliminatedAPHI = false;
508     
509     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
510            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
511       PHINode *PN = I->second;
512
513       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
514       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, &DT)) {
515         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
516           AST->deleteValue(PN);
517         PN->replaceAllUsesWith(V);
518         PN->eraseFromParent();
519         NewPhiNodes.erase(I++);
520         EliminatedAPHI = true;
521         continue;
522       }
523       ++I;
524     }
525   }
526   
527   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
528   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
529   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
530   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
531   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
532   //
533   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
534          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
535     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
536     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
537     PHINode *SomePHI = I->second;
538     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
539     if (&BB->front() != SomePHI)
540       continue;
541
542     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
543     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
544     // number of incoming values, so we can just check any of them.
545     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
546       continue;
547
548     // Get the preds for BB.
549     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
550     
551     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
552     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
553     // access.
554     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
555     
556     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
557     // them from the Preds list.
558     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
559       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
560       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
561         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
562                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
563       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
564              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
565
566       // Remove the entry
567       Preds.erase(EntIt);
568     }
569
570     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
571     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
572     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
573     // mem2reg runs).
574     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
575     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
576     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
577            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
578       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
579       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
580         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
581     }
582   }
583         
584   NewPhiNodes.clear();
585 }
586
587
588 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
589 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
590 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
591 /// would be dead).
592 void PromoteMem2Reg::
593 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
594                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
595                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
596   
597   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
598   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
599   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
600   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
601                                                    Info.UsingBlocks.end());
602   
603   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
604   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
605   // the value isn't really live-in.
606   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
607     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
608     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
609     
610     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
611     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
612     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
613       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
614         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
615         
616         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
617         // actually live-in here.
618         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
619         LiveInBlockWorklist.pop_back();
620         --i, --e;
621         break;
622       }
623       
624       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
625         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
626         
627         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
628         // live into this block.
629         break;
630       }
631     }
632   }
633   
634   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
635   // their predecessors until we find the full region the value is live.
636   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
637     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
638     
639     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
640     // the set, then it has already been processed.
641     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
642       continue;
643     
644     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
645     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
646     // defining block.
647     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
648       BasicBlock *P = *PI;
649       
650       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
651       if (DefBlocks.count(P))
652         continue;
653       
654       // Otherwise it is, add to the worklist.
655       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
656     }
657   }
658 }
659
660 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
661 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
662 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
663 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
664 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
665                                              AllocaInfo &Info) {
666
667   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
668   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
669   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
670
671   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
672   // to uses.
673   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
674   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
675
676   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
677   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
678   unsigned CurrentVersion = 0;
679   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
680   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
681     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
682     Info.DefiningBlocks.pop_back();
683     
684     // Look up the DF for this write, add it to defining blocks.
685     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
686     if (it == DF.end()) continue;
687     
688     const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
689     
690     // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
691     // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
692     // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
693     // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
694     // processing blocks in order of the occurance in the function.
695     for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
696          PE = S.end(); P != PE; ++P) {
697       // If the frontier block is not in the live-in set for the alloca, don't
698       // bother processing it.
699       if (!LiveInBlocks.count(*P))
700         continue;
701       
702       DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
703     }
704     
705     // Sort by which the block ordering in the function.
706     if (DFBlocks.size() > 1)
707       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
708     
709     for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
710       BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
711       if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion))
712         Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
713     }
714     DFBlocks.clear();
715   }
716 }
717
718 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
719 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
720 /// the value stored.
721 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
722                                               AllocaInfo &Info,
723                                               LargeBlockInfo &LBI) {
724   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
725   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
726   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
727   int StoreIndex = -1;
728
729   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
730   Info.UsingBlocks.clear();
731   
732   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
733     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
734     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
735       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
736       continue;
737     }
738     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
739     
740     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
741     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
742     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
743     // to insert the phi nodes as needed.
744     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
745       if (LI->getParent() == StoreBB) {
746         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
747         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
748         // load came before the store, we can't handle it.
749         if (StoreIndex == -1)
750           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
751
752         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
753           // Can't handle this load, bail out.
754           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
755           continue;
756         }
757         
758       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
759                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
760         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
761         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
762         // out.
763         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
764         continue;
765       }
766     }
767     
768     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
769     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
770     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
771     // code.
772     if (ReplVal == LI)
773       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
774     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
775     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
776       AST->deleteValue(LI);
777     LI->eraseFromParent();
778     LBI.deleteValue(LI);
779   }
780 }
781
782 namespace {
783
784 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
785 /// first element of a pair.
786 struct StoreIndexSearchPredicate {
787   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
788                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
789     return LHS.first < RHS.first;
790   }
791 };
792
793 }
794
795 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
796 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
797 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
798 /// the basic block using the Alloca.
799 ///
800 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
801 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
802 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
803 /// this is potentially correct:
804 ///
805 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
806 ///
807 /// ... so long as A is not used before undef is set.
808 ///
809 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
810                                               LargeBlockInfo &LBI) {
811   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
812   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
813   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
814   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
815   
816   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
817   Info.UsingBlocks.clear();
818   
819   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
820   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
821   StoresByIndexTy StoresByIndex;
822   
823   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
824        UI != E; ++UI) 
825     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
826       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
827
828   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
829   if (StoresByIndex.empty()) {
830     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
831       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
832         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
833         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
834           AST->deleteValue(LI);
835         LBI.deleteValue(LI);
836         LI->eraseFromParent();
837       }
838     return;
839   }
840   
841   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
842   // binary search.
843   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
844   
845   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
846   // store above them, if any.
847   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
848     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
849     if (!LI) continue;
850     
851     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
852     
853     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
854     StoresByIndexTy::iterator I = 
855       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
856                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
857                        StoreIndexSearchPredicate());
858     
859     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
860     if (I == StoresByIndex.begin()) {
861       // Can't handle this load, bail out.
862       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
863       continue;
864     }
865       
866     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
867     --I;
868     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
869     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
870       AST->deleteValue(LI);
871     LI->eraseFromParent();
872     LBI.deleteValue(LI);
873   }
874 }
875
876 // Inserts a llvm.dbg.value instrinsic before the stores to an alloca'd value
877 // that has an associated llvm.dbg.decl intrinsic.
878 void PromoteMem2Reg::ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI,
879                                                      StoreInst *SI) {
880   DIVariable DIVar(DDI->getVariable());
881   if (!DIVar.Verify())
882     return;
883
884   if (!DIF)
885     DIF = new DIFactory(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
886   Instruction *DbgVal = DIF->InsertDbgValueIntrinsic(SI->getOperand(0), 0,
887                                                      DIVar, SI);
888   
889   // Propagate any debug metadata from the store onto the dbg.value.
890   DebugLoc SIDL = SI->getDebugLoc();
891   if (!SIDL.isUnknown())
892     DbgVal->setDebugLoc(SIDL);
893   // Otherwise propagate debug metadata from dbg.declare.
894   else
895     DbgVal->setDebugLoc(DDI->getDebugLoc());
896 }
897
898 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
899 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
900 //
901 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
902                                   unsigned &Version) {
903   // Look up the basic-block in question.
904   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
905
906   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
907   if (PN) return false;
908
909   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
910   // BasicBlock.
911   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
912                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
913                        BB->begin());
914   ++NumPHIInsert;
915   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
916   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
917
918   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
919     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
920
921   return true;
922 }
923
924 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
925 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
926 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
927 //
928 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
929                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
930                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
931 NextIteration:
932   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
933   // block.
934   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
935     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
936     // BB.
937     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
938       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
939       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
940       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
941       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
942       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
943       // operands so far.  Remember this count.
944       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
945       
946       unsigned NumEdges = 0;
947       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
948         if (*I == BB)
949           ++NumEdges;
950       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
951       
952       // Add entries for all the phis.
953       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
954       do {
955         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
956         
957         // Add N incoming values to the PHI node.
958         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
959           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
960         
961         // The currently active variable for this block is now the PHI.
962         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
963         
964         // Get the next phi node.
965         ++PNI;
966         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
967         if (APN == 0) break;
968         
969         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
970         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
971       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
972     }
973   }
974   
975   // Don't revisit blocks.
976   if (!Visited.insert(BB)) return;
977
978   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
979     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
980
981     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
982       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
983       if (!Src) continue;
984   
985       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
986       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
987
988       Value *V = IncomingVals[AI->second];
989
990       // Anything using the load now uses the current value.
991       LI->replaceAllUsesWith(V);
992       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
993         AST->deleteValue(LI);
994       BB->getInstList().erase(LI);
995     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
996       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
997       // value
998       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
999       if (!Dest) continue;
1000       
1001       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1002       if (ai == AllocaLookup.end())
1003         continue;
1004       
1005       // what value were we writing?
1006       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1007       // Record debuginfo for the store before removing it.
1008       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1009         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
1010       BB->getInstList().erase(SI);
1011     }
1012   }
1013
1014   // 'Recurse' to our successors.
1015   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1016   if (I == E) return;
1017
1018   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1019   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1020
1021   // Handle the first successor without using the worklist.
1022   VisitedSuccs.insert(*I);
1023   Pred = BB;
1024   BB = *I;
1025   ++I;
1026
1027   for (; I != E; ++I)
1028     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1029       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1030
1031   goto NextIteration;
1032 }
1033
1034 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1035 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
1036 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
1037 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
1038 ///
1039 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1040 /// made to the IR.
1041 ///
1042 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1043                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
1044                            AliasSetTracker *AST) {
1045   // If there is nothing to do, bail out...
1046   if (Allocas.empty()) return;
1047
1048   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, AST).run();
1049 }