Use A.append(...) instead of A.insert(A.end(), ...) when A is a
[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/DebugInfo.h"
28 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
29 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
35 #include "llvm/Support/CFG.h"
36 #include <algorithm>
37 using namespace llvm;
38
39 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
40 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
41 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
42 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
43
44 namespace llvm {
45 template<>
46 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
47   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
48   static inline EltTy getEmptyKey() {
49     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
50   }
51   static inline EltTy getTombstoneKey() {
52     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
53   }
54   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
55     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
56   }
57   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
58     return LHS == RHS;
59   }
60 };
61 }
62
63 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
64 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
65 ///
66 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
67   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
68   // assignments to subsections of the memory unit.
69
70   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
71   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
72        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
73     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
74       if (LI->isVolatile())
75         return false;
76     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
77       if (SI->getOperand(0) == AI)
78         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
79       if (SI->isVolatile())
80         return false;
81     } else {
82       return false;
83     }
84
85   return true;
86 }
87
88 /// FindAllocaDbgDeclare - Finds the llvm.dbg.declare intrinsic describing the
89 /// alloca 'V', if any.
90 static DbgDeclareInst *FindAllocaDbgDeclare(Value *V) {
91   if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(V->getContext(), &V, 1))
92     for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
93          E = DebugNode->use_end(); UI != E; ++UI)
94       if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
95         return DDI;
96
97   return 0;
98 }
99
100 namespace {
101   struct AllocaInfo;
102
103   // Data package used by RenamePass()
104   class RenamePassData {
105   public:
106     typedef std::vector<Value *> ValVector;
107     
108     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
109     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
110                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
111     BasicBlock *BB;
112     BasicBlock *Pred;
113     ValVector Values;
114     
115     void swap(RenamePassData &RHS) {
116       std::swap(BB, RHS.BB);
117       std::swap(Pred, RHS.Pred);
118       Values.swap(RHS.Values);
119     }
120   };
121   
122   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
123   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
124   ///
125   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
126   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
127   class LargeBlockInfo {
128     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
129     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
130     /// the start of the block.
131     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
132   public:
133     
134     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
135     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
136       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
137              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
138     }
139     
140     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
141     /// instruction.
142     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
143       assert(isInterestingInstruction(I) &&
144              "Not a load/store to/from an alloca?");
145       
146       // If we already have this instruction number, return it.
147       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
148       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
149       
150       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
151       // information for every interesting instruction in the block, in order to
152       // avoid gratuitus rescans.
153       const BasicBlock *BB = I->getParent();
154       unsigned InstNo = 0;
155       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
156            BBI != E; ++BBI)
157         if (isInterestingInstruction(BBI))
158           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
159       It = InstNumbers.find(I);
160       
161       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
162       return It->second;
163     }
164     
165     void deleteValue(const Instruction *I) {
166       InstNumbers.erase(I);
167     }
168     
169     void clear() {
170       InstNumbers.clear();
171     }
172   };
173
174   struct PromoteMem2Reg {
175     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
176     ///
177     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
178     DominatorTree &DT;
179     DominanceFrontier &DF;
180     DIFactory *DIF;
181
182     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
183     ///
184     AliasSetTracker *AST;
185     
186     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
187     ///
188     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
189
190     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
191     ///
192     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
193     
194     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
195     /// it corresponds to.
196     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
197     
198     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
199     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
200     /// to the inserted PHI nodes here.
201     ///
202     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
203
204     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
205     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
206     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
207     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
208
209     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
210     ///
211     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
212
213     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
214     /// non-determinstic behavior.
215     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
216
217     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
218     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
219   public:
220     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
221                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
222       : Allocas(A), DT(dt), DF(df), DIF(0), AST(ast) {}
223     ~PromoteMem2Reg() {
224       delete DIF;
225     }
226
227     void run();
228
229     /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
230     ///
231     bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
232       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
233         I1 = II->getNormalDest()->begin();
234       return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
235     }
236     
237     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
238     ///
239     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
240       return DT.dominates(BB1, BB2);
241     }
242
243   private:
244     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
245       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
246       Allocas.pop_back();
247       --AllocaIdx;
248     }
249
250     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
251       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
252       if (NP == 0)
253         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
254       return NP-1;
255     }
256
257     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
258                                  AllocaInfo &Info);
259     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
260                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
261                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
262     
263     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
264                                   LargeBlockInfo &LBI);
265     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
266                                   LargeBlockInfo &LBI);
267     void ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI, StoreInst *SI);
268
269     
270     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
271                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
272                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
273     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
274                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
275   };
276   
277   struct AllocaInfo {
278     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
279     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
280     
281     StoreInst  *OnlyStore;
282     BasicBlock *OnlyBlock;
283     bool OnlyUsedInOneBlock;
284     
285     Value *AllocaPointerVal;
286     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
287     
288     void clear() {
289       DefiningBlocks.clear();
290       UsingBlocks.clear();
291       OnlyStore = 0;
292       OnlyBlock = 0;
293       OnlyUsedInOneBlock = true;
294       AllocaPointerVal = 0;
295       DbgDeclare = 0;
296     }
297     
298     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
299     /// ivars.
300     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
301       clear();
302
303       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
304       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
305       // the same basic block.
306       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
307            UI != E;)  {
308         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
309
310         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
311           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
312           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
313           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
314           OnlyStore = SI;
315         } else {
316           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
317           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
318           // reads.
319           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
320           AllocaPointerVal = LI;
321         }
322         
323         if (OnlyUsedInOneBlock) {
324           if (OnlyBlock == 0)
325             OnlyBlock = User->getParent();
326           else if (OnlyBlock != User->getParent())
327             OnlyUsedInOneBlock = false;
328         }
329       }
330       
331       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
332     }
333   };
334 }  // end of anonymous namespace
335
336
337 void PromoteMem2Reg::run() {
338   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
339
340   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
341   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
342
343   AllocaInfo Info;
344   LargeBlockInfo LBI;
345
346   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
347     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
348
349     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
350            "Cannot promote non-promotable alloca!");
351     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
352            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
353
354     if (AI->use_empty()) {
355       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
356       if (AST) AST->deleteValue(AI);
357       AI->eraseFromParent();
358
359       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
360       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
361       ++NumDeadAlloca;
362       continue;
363     }
364     
365     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
366     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
367     Info.AnalyzeAlloca(AI);
368
369     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
370     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
371     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
372       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
373
374       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
375       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
376         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's debuginfo.
377         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
378           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore);
379           DDI->eraseFromParent();
380         }
381         // Remove the (now dead) store and alloca.
382         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
383         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
384
385         if (AST) AST->deleteValue(AI);
386         AI->eraseFromParent();
387         LBI.deleteValue(AI);
388         
389         // The alloca has been processed, move on.
390         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
391         
392         ++NumSingleStore;
393         continue;
394       }
395     }
396     
397     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
398     // linear sweep over the block to eliminate it.
399     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
400       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
401       
402       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
403       // left.
404       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
405         
406         // Remove the (now dead) stores and alloca.
407         while (!AI->use_empty()) {
408           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
409           // Record debuginfo for the store before removing it.
410           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
411             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
412           SI->eraseFromParent();
413           LBI.deleteValue(SI);
414         }
415         
416         if (AST) AST->deleteValue(AI);
417         AI->eraseFromParent();
418         LBI.deleteValue(AI);
419         
420         // The alloca has been processed, move on.
421         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
422         
423         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
424         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
425           DDI->eraseFromParent();
426
427         ++NumLocalPromoted;
428         continue;
429       }
430     }
431     
432     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
433     // now.
434     if (BBNumbers.empty()) {
435       unsigned ID = 0;
436       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
437         BBNumbers[I] = ID++;
438     }
439
440     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
441     // stored into the alloca.
442     if (AST)
443       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
444       
445     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
446     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
447     
448     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
449     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
450
451     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
452     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
453     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
454     // dead phi nodes.
455     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
456   }
457
458   if (Allocas.empty())
459     return; // All of the allocas must have been trivial!
460
461   LBI.clear();
462   
463   
464   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
465   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
466   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
467   //
468   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
469   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
470     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
471
472   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
473   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
474   //
475   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
476   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
477   do {
478     RenamePassData RPD;
479     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
480     RenamePassWorkList.pop_back();
481     // RenamePass may add new worklist entries.
482     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
483   } while (!RenamePassWorkList.empty());
484   
485   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
486   Visited.clear();
487
488   // Remove the allocas themselves from the function.
489   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
490     Instruction *A = Allocas[i];
491
492     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
493     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
494     // Just delete the users now.
495     //
496     if (!A->use_empty())
497       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
498     if (AST) AST->deleteValue(A);
499     A->eraseFromParent();
500   }
501
502   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
503   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
504     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
505       DDI->eraseFromParent();
506
507   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
508   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
509   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
510   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
511   bool EliminatedAPHI = true;
512   while (EliminatedAPHI) {
513     EliminatedAPHI = false;
514     
515     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
516            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
517       PHINode *PN = I->second;
518       
519       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
520       if (Value *V = PN->hasConstantValue(&DT)) {
521         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
522           AST->deleteValue(PN);
523         PN->replaceAllUsesWith(V);
524         PN->eraseFromParent();
525         NewPhiNodes.erase(I++);
526         EliminatedAPHI = true;
527         continue;
528       }
529       ++I;
530     }
531   }
532   
533   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
534   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
535   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
536   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
537   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
538   //
539   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
540          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
541     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
542     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
543     PHINode *SomePHI = I->second;
544     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
545     if (&BB->front() != SomePHI)
546       continue;
547
548     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
549     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
550     // number of incoming values, so we can just check any of them.
551     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
552       continue;
553
554     // Get the preds for BB.
555     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
556     
557     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
558     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
559     // access.
560     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
561     
562     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
563     // them from the Preds list.
564     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
565       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
566       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
567         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
568                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
569       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
570              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
571
572       // Remove the entry
573       Preds.erase(EntIt);
574     }
575
576     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
577     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
578     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
579     // mem2reg runs).
580     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
581     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
582     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
583            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
584       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
585       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
586         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
587     }
588   }
589         
590   NewPhiNodes.clear();
591 }
592
593
594 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
595 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
596 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
597 /// would be dead).
598 void PromoteMem2Reg::
599 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
600                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
601                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
602   
603   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
604   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
605   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
606   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
607                                                    Info.UsingBlocks.end());
608   
609   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
610   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
611   // the value isn't really live-in.
612   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
613     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
614     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
615     
616     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
617     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
618     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
619       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
620         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
621         
622         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
623         // actually live-in here.
624         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
625         LiveInBlockWorklist.pop_back();
626         --i, --e;
627         break;
628       }
629       
630       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
631         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
632         
633         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
634         // live into this block.
635         break;
636       }
637     }
638   }
639   
640   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
641   // their predecessors until we find the full region the value is live.
642   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
643     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
644     
645     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
646     // the set, then it has already been processed.
647     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
648       continue;
649     
650     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
651     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
652     // defining block.
653     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
654       BasicBlock *P = *PI;
655       
656       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
657       if (DefBlocks.count(P))
658         continue;
659       
660       // Otherwise it is, add to the worklist.
661       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
662     }
663   }
664 }
665
666 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
667 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
668 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
669 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
670 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
671                                              AllocaInfo &Info) {
672
673   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
674   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
675   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
676
677   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
678   // to uses.
679   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
680   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
681
682   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
683   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
684   unsigned CurrentVersion = 0;
685   SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
686   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
687   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
688     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
689     Info.DefiningBlocks.pop_back();
690     
691     // Look up the DF for this write, add it to defining blocks.
692     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
693     if (it == DF.end()) continue;
694     
695     const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
696     
697     // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
698     // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
699     // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
700     // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
701     // processing blocks in order of the occurance in the function.
702     for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
703          PE = S.end(); P != PE; ++P) {
704       // If the frontier block is not in the live-in set for the alloca, don't
705       // bother processing it.
706       if (!LiveInBlocks.count(*P))
707         continue;
708       
709       DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
710     }
711     
712     // Sort by which the block ordering in the function.
713     if (DFBlocks.size() > 1)
714       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
715     
716     for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
717       BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
718       if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
719         Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
720     }
721     DFBlocks.clear();
722   }
723 }
724
725 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
726 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
727 /// the value stored.
728 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
729                                               AllocaInfo &Info,
730                                               LargeBlockInfo &LBI) {
731   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
732   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
733   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
734   int StoreIndex = -1;
735
736   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
737   Info.UsingBlocks.clear();
738   
739   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
740     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
741     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
742       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
743       continue;
744     }
745     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
746     
747     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
748     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
749     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
750     // to insert the phi nodes as needed.
751     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
752       if (LI->getParent() == StoreBB) {
753         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
754         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
755         // load came before the store, we can't handle it.
756         if (StoreIndex == -1)
757           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
758
759         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
760           // Can't handle this load, bail out.
761           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
762           continue;
763         }
764         
765       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
766                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
767         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
768         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
769         // out.
770         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
771         continue;
772       }
773     }
774     
775     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
776     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
777     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
778     // code.
779     if (ReplVal == LI)
780       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
781     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
782     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
783       AST->deleteValue(LI);
784     LI->eraseFromParent();
785     LBI.deleteValue(LI);
786   }
787 }
788
789 namespace {
790
791 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
792 /// first element of a pair.
793 struct StoreIndexSearchPredicate {
794   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
795                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
796     return LHS.first < RHS.first;
797   }
798 };
799
800 }
801
802 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
803 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
804 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
805 /// the basic block using the Alloca.
806 ///
807 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
808 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
809 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
810 /// this is potentially correct:
811 ///
812 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
813 ///
814 /// ... so long as A is not used before undef is set.
815 ///
816 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
817                                               LargeBlockInfo &LBI) {
818   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
819   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
820   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
821   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
822   
823   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
824   Info.UsingBlocks.clear();
825   
826   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
827   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
828   StoresByIndexTy StoresByIndex;
829   
830   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
831        UI != E; ++UI) 
832     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
833       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
834
835   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
836   if (StoresByIndex.empty()) {
837     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
838       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
839         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
840         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
841           AST->deleteValue(LI);
842         LBI.deleteValue(LI);
843         LI->eraseFromParent();
844       }
845     return;
846   }
847   
848   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
849   // binary search.
850   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
851   
852   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
853   // store above them, if any.
854   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
855     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
856     if (!LI) continue;
857     
858     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
859     
860     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
861     StoresByIndexTy::iterator I = 
862       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
863                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
864                        StoreIndexSearchPredicate());
865     
866     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
867     if (I == StoresByIndex.begin()) {
868       // Can't handle this load, bail out.
869       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
870       continue;
871     }
872       
873     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
874     --I;
875     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
876     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
877       AST->deleteValue(LI);
878     LI->eraseFromParent();
879     LBI.deleteValue(LI);
880   }
881 }
882
883 // Inserts a llvm.dbg.value instrinsic before the stores to an alloca'd value
884 // that has an associated llvm.dbg.decl intrinsic.
885 void PromoteMem2Reg::ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI,
886                                                      StoreInst *SI) {
887   DIVariable DIVar(DDI->getVariable());
888   if (!DIVar.Verify())
889     return;
890
891   if (!DIF)
892     DIF = new DIFactory(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
893   Instruction *DbgVal = DIF->InsertDbgValueIntrinsic(SI->getOperand(0), 0,
894                                                      DIVar, SI);
895   
896   // Propagate any debug metadata from the store onto the dbg.value.
897   if (MDNode *SIMD = SI->getMetadata("dbg"))
898     DbgVal->setMetadata("dbg", SIMD);
899   // Otherwise propagate debug metadata from dbg.declare.
900   else if (MDNode *MD = DDI->getMetadata("dbg"))
901       DbgVal->setMetadata("dbg", MD);         
902 }
903
904 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
905 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
906 //
907 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
908                                   unsigned &Version,
909                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
910   // Look up the basic-block in question.
911   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
912
913   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
914   if (PN) return false;
915
916   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
917   // BasicBlock.
918   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
919                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
920                        BB->begin());
921   ++NumPHIInsert;
922   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
923   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
924   
925   InsertedPHINodes.insert(PN);
926
927   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
928     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
929
930   return true;
931 }
932
933 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
934 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
935 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
936 //
937 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
938                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
939                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
940 NextIteration:
941   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
942   // block.
943   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
944     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
945     // BB.
946     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
947       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
948       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
949       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
950       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
951       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
952       // operands so far.  Remember this count.
953       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
954       
955       unsigned NumEdges = 0;
956       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
957         if (*I == BB)
958           ++NumEdges;
959       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
960       
961       // Add entries for all the phis.
962       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
963       do {
964         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
965         
966         // Add N incoming values to the PHI node.
967         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
968           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
969         
970         // The currently active variable for this block is now the PHI.
971         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
972         
973         // Get the next phi node.
974         ++PNI;
975         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
976         if (APN == 0) break;
977         
978         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
979         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
980       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
981     }
982   }
983   
984   // Don't revisit blocks.
985   if (!Visited.insert(BB)) return;
986
987   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
988     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
989
990     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
991       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
992       if (!Src) continue;
993   
994       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
995       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
996
997       Value *V = IncomingVals[AI->second];
998
999       // Anything using the load now uses the current value.
1000       LI->replaceAllUsesWith(V);
1001       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1002         AST->deleteValue(LI);
1003       BB->getInstList().erase(LI);
1004     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1005       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1006       // value
1007       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1008       if (!Dest) continue;
1009       
1010       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1011       if (ai == AllocaLookup.end())
1012         continue;
1013       
1014       // what value were we writing?
1015       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1016       // Record debuginfo for the store before removing it.
1017       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1018         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
1019       BB->getInstList().erase(SI);
1020     }
1021   }
1022
1023   // 'Recurse' to our successors.
1024   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1025   if (I == E) return;
1026
1027   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1028   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1029
1030   // Handle the first successor without using the worklist.
1031   VisitedSuccs.insert(*I);
1032   Pred = BB;
1033   BB = *I;
1034   ++I;
1035
1036   for (; I != E; ++I)
1037     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1038       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1039
1040   goto NextIteration;
1041 }
1042
1043 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1044 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
1045 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
1046 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
1047 ///
1048 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1049 /// made to the IR.
1050 ///
1051 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1052                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
1053                            AliasSetTracker *AST) {
1054   // If there is nothing to do, bail out...
1055   if (Allocas.empty()) return;
1056
1057   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, AST).run();
1058 }