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