Remove unused STL header includes.
[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 iterated dominator frontiers to place PHI nodes, then
13 // traversing the function in depth-first order to rewrite loads and stores as
14 // appropriate.
15 //
16 // The algorithm used here is based on:
17 //
18 //   Sreedhar and Gao. A linear time algorithm for placing phi-nodes.
19 //   In Proceedings of the 22nd ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of
20 //   Programming Languages
21 //   POPL '95. ACM, New York, NY, 62-73.
22 //
23 // It has been modified to not explicitly use the DJ graph data structure and to
24 // directly compute pruned SSA using per-variable liveness information.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
30 #include "llvm/Constants.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/Metadata.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/DebugInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include <algorithm>
49 #include <queue>
50 using namespace llvm;
51
52 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
53 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
54 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
55 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
56
57 namespace llvm {
58 template<>
59 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
60   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
61   static inline EltTy getEmptyKey() {
62     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
63   }
64   static inline EltTy getTombstoneKey() {
65     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
66   }
67   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
68     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
69   }
70   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
71     return LHS == RHS;
72   }
73 };
74 }
75
76 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
77 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
78 ///
79 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
80   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
81   // assignments to subsections of the memory unit.
82
83   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
84   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
85        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
86     const User *U = *UI;
87     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
88       if (LI->isVolatile())
89         return false;
90     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
91       if (SI->getOperand(0) == AI)
92         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
93       if (SI->isVolatile())
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 /// FindAllocaDbgDeclare - Finds the llvm.dbg.declare intrinsic describing the
104 /// alloca 'V', if any.
105 static DbgDeclareInst *FindAllocaDbgDeclare(Value *V) {
106   if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(V->getContext(), V))
107     for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
108          E = DebugNode->use_end(); UI != E; ++UI)
109       if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
110         return DDI;
111
112   return 0;
113 }
114
115 namespace {
116   struct AllocaInfo;
117
118   // Data package used by RenamePass()
119   class RenamePassData {
120   public:
121     typedef std::vector<Value *> ValVector;
122     
123     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
124     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
125                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
126     BasicBlock *BB;
127     BasicBlock *Pred;
128     ValVector Values;
129     
130     void swap(RenamePassData &RHS) {
131       std::swap(BB, RHS.BB);
132       std::swap(Pred, RHS.Pred);
133       Values.swap(RHS.Values);
134     }
135   };
136   
137   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
138   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
139   ///
140   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
141   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
142   class LargeBlockInfo {
143     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
144     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
145     /// the start of the block.
146     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
147   public:
148     
149     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
150     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
151       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
152              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
153     }
154     
155     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
156     /// instruction.
157     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
158       assert(isInterestingInstruction(I) &&
159              "Not a load/store to/from an alloca?");
160       
161       // If we already have this instruction number, return it.
162       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
163       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
164       
165       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
166       // information for every interesting instruction in the block, in order to
167       // avoid gratuitus rescans.
168       const BasicBlock *BB = I->getParent();
169       unsigned InstNo = 0;
170       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
171            BBI != E; ++BBI)
172         if (isInterestingInstruction(BBI))
173           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
174       It = InstNumbers.find(I);
175       
176       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
177       return It->second;
178     }
179     
180     void deleteValue(const Instruction *I) {
181       InstNumbers.erase(I);
182     }
183     
184     void clear() {
185       InstNumbers.clear();
186     }
187   };
188
189   struct PromoteMem2Reg {
190     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
191     ///
192     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
193     DominatorTree &DT;
194     DIBuilder *DIB;
195
196     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
197     ///
198     AliasSetTracker *AST;
199     
200     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
201     ///
202     DenseMap<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
203
204     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
205     ///
206     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
207     
208     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
209     /// it corresponds to.
210     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
211     
212     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
213     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
214     /// to the inserted PHI nodes here.
215     ///
216     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
217
218     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
219     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
220     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
221     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
222
223     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
224     ///
225     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
226
227     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
228     /// non-determinstic behavior.
229     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
230
231     /// DomLevels - Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
232     DenseMap<DomTreeNode*, unsigned> DomLevels;
233
234     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
235     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
236   public:
237     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
238                    AliasSetTracker *ast)
239       : Allocas(A), DT(dt), DIB(0), AST(ast) {}
240     ~PromoteMem2Reg() {
241       delete DIB;
242     }
243
244     void run();
245
246     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
247     ///
248     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
249       return DT.dominates(BB1, BB2);
250     }
251
252   private:
253     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
254       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
255       Allocas.pop_back();
256       --AllocaIdx;
257     }
258
259     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
260       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
261       if (NP == 0)
262         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
263       return NP-1;
264     }
265
266     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
267                                  AllocaInfo &Info);
268     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
269                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
270                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
271     
272     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
273                                   LargeBlockInfo &LBI);
274     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
275                                   LargeBlockInfo &LBI);
276     
277     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
278                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
279                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
280     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
281   };
282   
283   struct AllocaInfo {
284     SmallVector<BasicBlock*, 32> DefiningBlocks;
285     SmallVector<BasicBlock*, 32> UsingBlocks;
286     
287     StoreInst  *OnlyStore;
288     BasicBlock *OnlyBlock;
289     bool OnlyUsedInOneBlock;
290     
291     Value *AllocaPointerVal;
292     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
293     
294     void clear() {
295       DefiningBlocks.clear();
296       UsingBlocks.clear();
297       OnlyStore = 0;
298       OnlyBlock = 0;
299       OnlyUsedInOneBlock = true;
300       AllocaPointerVal = 0;
301       DbgDeclare = 0;
302     }
303     
304     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
305     /// ivars.
306     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
307       clear();
308
309       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
310       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
311       // the same basic block.
312       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
313            UI != E;)  {
314         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
315
316         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
317           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
318           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
319           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
320           OnlyStore = SI;
321         } else {
322           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
323           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
324           // reads.
325           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
326           AllocaPointerVal = LI;
327         }
328         
329         if (OnlyUsedInOneBlock) {
330           if (OnlyBlock == 0)
331             OnlyBlock = User->getParent();
332           else if (OnlyBlock != User->getParent())
333             OnlyUsedInOneBlock = false;
334         }
335       }
336       
337       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
338     }
339   };
340
341   typedef std::pair<DomTreeNode*, unsigned> DomTreeNodePair;
342
343   struct DomTreeNodeCompare {
344     bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
345       return LHS.second < RHS.second;
346     }
347   };
348 }  // end of anonymous namespace
349
350
351 void PromoteMem2Reg::run() {
352   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
353
354   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
355   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
356
357   AllocaInfo Info;
358   LargeBlockInfo LBI;
359
360   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
361     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
362
363     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
364            "Cannot promote non-promotable alloca!");
365     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
366            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
367
368     if (AI->use_empty()) {
369       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
370       if (AST) AST->deleteValue(AI);
371       AI->eraseFromParent();
372
373       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
374       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
375       ++NumDeadAlloca;
376       continue;
377     }
378     
379     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
380     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
381     Info.AnalyzeAlloca(AI);
382
383     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
384     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
385     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
386       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
387
388       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
389       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
390         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's debuginfo.
391         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
392           if (!DIB)
393             DIB = new DIBuilder(*DDI->getParent()->getParent()->getParent());
394           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, *DIB);
395           DDI->eraseFromParent();
396         }
397         // Remove the (now dead) store and alloca.
398         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
399         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
400
401         if (AST) AST->deleteValue(AI);
402         AI->eraseFromParent();
403         LBI.deleteValue(AI);
404         
405         // The alloca has been processed, move on.
406         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
407         
408         ++NumSingleStore;
409         continue;
410       }
411     }
412     
413     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
414     // linear sweep over the block to eliminate it.
415     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
416       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
417       
418       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
419       // left.
420       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
421         
422         // Remove the (now dead) stores and alloca.
423         while (!AI->use_empty()) {
424           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
425           // Record debuginfo for the store before removing it.
426           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
427             if (!DIB)
428               DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
429             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
430           }
431           SI->eraseFromParent();
432           LBI.deleteValue(SI);
433         }
434         
435         if (AST) AST->deleteValue(AI);
436         AI->eraseFromParent();
437         LBI.deleteValue(AI);
438         
439         // The alloca has been processed, move on.
440         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
441         
442         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
443         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
444           DDI->eraseFromParent();
445
446         ++NumLocalPromoted;
447         continue;
448       }
449     }
450
451     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
452     if (DomLevels.empty()) {
453       SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
454
455       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
456       DomLevels[Root] = 0;
457       Worklist.push_back(Root);
458
459       while (!Worklist.empty()) {
460         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
461         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
462         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
463              CI != CE; ++CI) {
464           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
465           Worklist.push_back(*CI);
466         }
467       }
468     }
469
470     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
471     // now.
472     if (BBNumbers.empty()) {
473       unsigned ID = 0;
474       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
475         BBNumbers[I] = ID++;
476     }
477
478     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
479     // stored into the alloca.
480     if (AST)
481       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
482       
483     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
484     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
485     
486     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
487     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
488
489     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
490     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
491     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
492     // dead phi nodes.
493     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
494   }
495
496   if (Allocas.empty())
497     return; // All of the allocas must have been trivial!
498
499   LBI.clear();
500   
501   
502   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
503   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
504   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
505   //
506   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
507   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
508     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
509
510   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
511   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
512   //
513   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
514   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
515   do {
516     RenamePassData RPD;
517     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
518     RenamePassWorkList.pop_back();
519     // RenamePass may add new worklist entries.
520     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
521   } while (!RenamePassWorkList.empty());
522   
523   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
524   Visited.clear();
525
526   // Remove the allocas themselves from the function.
527   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
528     Instruction *A = Allocas[i];
529
530     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
531     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
532     // tree. Just delete the users now.
533     if (!A->use_empty())
534       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
535     if (AST) AST->deleteValue(A);
536     A->eraseFromParent();
537   }
538
539   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
540   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
541     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
542       DDI->eraseFromParent();
543
544   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
545   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
546   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
547   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
548   bool EliminatedAPHI = true;
549   while (EliminatedAPHI) {
550     EliminatedAPHI = false;
551     
552     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
553            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
554       PHINode *PN = I->second;
555
556       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
557       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, &DT)) {
558         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
559           AST->deleteValue(PN);
560         PN->replaceAllUsesWith(V);
561         PN->eraseFromParent();
562         NewPhiNodes.erase(I++);
563         EliminatedAPHI = true;
564         continue;
565       }
566       ++I;
567     }
568   }
569   
570   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
571   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
572   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
573   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
574   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
575   //
576   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
577          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
578     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
579     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
580     PHINode *SomePHI = I->second;
581     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
582     if (&BB->front() != SomePHI)
583       continue;
584
585     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
586     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
587     // number of incoming values, so we can just check any of them.
588     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
589       continue;
590
591     // Get the preds for BB.
592     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
593     
594     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
595     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
596     // access.
597     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
598     
599     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
600     // them from the Preds list.
601     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
602       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
603       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
604         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
605                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
606       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
607              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
608
609       // Remove the entry
610       Preds.erase(EntIt);
611     }
612
613     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
614     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
615     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
616     // mem2reg runs).
617     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
618     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
619     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
620            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
621       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
622       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
623         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
624     }
625   }
626         
627   NewPhiNodes.clear();
628 }
629
630
631 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
632 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
633 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
634 /// would be dead).
635 void PromoteMem2Reg::
636 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
637                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
638                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
639   
640   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
641   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
642   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
643   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
644                                                    Info.UsingBlocks.end());
645   
646   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
647   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
648   // the value isn't really live-in.
649   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
650     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
651     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
652     
653     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
654     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
655     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
656       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
657         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
658         
659         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
660         // actually live-in here.
661         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
662         LiveInBlockWorklist.pop_back();
663         --i, --e;
664         break;
665       }
666       
667       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
668         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
669         
670         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
671         // live into this block.
672         break;
673       }
674     }
675   }
676   
677   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
678   // their predecessors until we find the full region the value is live.
679   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
680     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
681     
682     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
683     // the set, then it has already been processed.
684     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
685       continue;
686     
687     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
688     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
689     // defining block.
690     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
691       BasicBlock *P = *PI;
692       
693       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
694       if (DefBlocks.count(P))
695         continue;
696       
697       // Otherwise it is, add to the worklist.
698       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
699     }
700   }
701 }
702
703 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
704 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
705 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
706 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
707 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
708                                              AllocaInfo &Info) {
709   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
710   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
711   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
712
713   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
714   // to uses.
715   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
716   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
717
718   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
719   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
720   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
721                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
722   IDFPriorityQueue PQ;
723
724   for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
725        E = DefBlocks.end(); I != E; ++I) {
726     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
727       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
728   }
729
730   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock*>, 32> DFBlocks;
731   SmallPtrSet<DomTreeNode*, 32> Visited;
732   SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
733   while (!PQ.empty()) {
734     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
735     PQ.pop();
736     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
737     unsigned RootLevel = RootPair.second;
738
739     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
740     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
741     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
742     // definition set.
743
744     Worklist.clear();
745     Worklist.push_back(Root);
746
747     while (!Worklist.empty()) {
748       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
749       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
750
751       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
752            ++SI) {
753         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
754
755         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
756         // of catching them below.
757         if (SuccNode->getIDom() == Node)
758           continue;
759
760         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
761         if (SuccLevel > RootLevel)
762           continue;
763
764         if (!Visited.insert(SuccNode))
765           continue;
766
767         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
768         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
769           continue;
770
771         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
772         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
773           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
774       }
775
776       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
777            ++CI) {
778         if (!Visited.count(*CI))
779           Worklist.push_back(*CI);
780       }
781     }
782   }
783
784   if (DFBlocks.size() > 1)
785     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
786
787   unsigned CurrentVersion = 0;
788   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
789     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
790 }
791
792 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
793 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
794 /// the value stored.
795 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
796                                               AllocaInfo &Info,
797                                               LargeBlockInfo &LBI) {
798   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
799   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
800   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
801   int StoreIndex = -1;
802
803   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
804   Info.UsingBlocks.clear();
805   
806   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
807     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
808     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
809       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
810       continue;
811     }
812     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
813     
814     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
815     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
816     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
817     // to insert the phi nodes as needed.
818     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
819       if (LI->getParent() == StoreBB) {
820         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
821         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
822         // load came before the store, we can't handle it.
823         if (StoreIndex == -1)
824           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
825
826         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
827           // Can't handle this load, bail out.
828           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
829           continue;
830         }
831         
832       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
833                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
834         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
835         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
836         // out.
837         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
838         continue;
839       }
840     }
841     
842     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
843     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
844     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
845     // code.
846     if (ReplVal == LI)
847       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
848     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
849     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
850       AST->deleteValue(LI);
851     LI->eraseFromParent();
852     LBI.deleteValue(LI);
853   }
854 }
855
856 namespace {
857
858 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
859 /// first element of a pair.
860 struct StoreIndexSearchPredicate {
861   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
862                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
863     return LHS.first < RHS.first;
864   }
865 };
866
867 }
868
869 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
870 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
871 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
872 /// the basic block using the Alloca.
873 ///
874 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
875 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
876 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
877 /// this is potentially correct:
878 ///
879 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
880 ///
881 /// ... so long as A is not used before undef is set.
882 ///
883 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
884                                               LargeBlockInfo &LBI) {
885   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
886   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
887   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
888   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
889   
890   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
891   Info.UsingBlocks.clear();
892   
893   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
894   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
895   StoresByIndexTy StoresByIndex;
896   
897   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
898        UI != E; ++UI) 
899     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
900       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
901
902   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
903   if (StoresByIndex.empty()) {
904     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
905       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
906         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
907         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
908           AST->deleteValue(LI);
909         LBI.deleteValue(LI);
910         LI->eraseFromParent();
911       }
912     return;
913   }
914   
915   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
916   // binary search.
917   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
918   
919   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
920   // store above them, if any.
921   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
922     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
923     if (!LI) continue;
924     
925     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
926     
927     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
928     StoresByIndexTy::iterator I = 
929       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
930                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
931                        StoreIndexSearchPredicate());
932     
933     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
934     if (I == StoresByIndex.begin()) {
935       // Can't handle this load, bail out.
936       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
937       continue;
938     }
939       
940     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
941     --I;
942     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
943     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
944       AST->deleteValue(LI);
945     LI->eraseFromParent();
946     LBI.deleteValue(LI);
947   }
948 }
949
950 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
951 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
952 //
953 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
954                                   unsigned &Version) {
955   // Look up the basic-block in question.
956   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
957
958   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
959   if (PN) return false;
960
961   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
962   // BasicBlock.
963   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
964                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
965                        BB->begin());
966   ++NumPHIInsert;
967   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
968
969   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
970     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
971
972   return true;
973 }
974
975 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
976 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
977 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
978 //
979 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
980                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
981                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
982 NextIteration:
983   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
984   // block.
985   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
986     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
987     // BB.
988     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
989       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
990       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
991       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
992       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
993       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
994       // operands so far.  Remember this count.
995       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
996       
997       unsigned NumEdges = 0;
998       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
999         if (*I == BB)
1000           ++NumEdges;
1001       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1002       
1003       // Add entries for all the phis.
1004       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1005       do {
1006         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1007         
1008         // Add N incoming values to the PHI node.
1009         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1010           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1011         
1012         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1013         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1014         
1015         // Get the next phi node.
1016         ++PNI;
1017         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1018         if (APN == 0) break;
1019         
1020         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1021         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1022       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1023     }
1024   }
1025   
1026   // Don't revisit blocks.
1027   if (!Visited.insert(BB)) return;
1028
1029   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
1030     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1031
1032     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1033       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1034       if (!Src) continue;
1035   
1036       DenseMap<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1037       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
1038
1039       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1040
1041       // Anything using the load now uses the current value.
1042       LI->replaceAllUsesWith(V);
1043       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1044         AST->deleteValue(LI);
1045       BB->getInstList().erase(LI);
1046     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1047       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1048       // value
1049       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1050       if (!Dest) continue;
1051       
1052       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1053       if (ai == AllocaLookup.end())
1054         continue;
1055       
1056       // what value were we writing?
1057       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1058       // Record debuginfo for the store before removing it.
1059       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second]) {
1060         if (!DIB)
1061           DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
1062         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
1063       }
1064       BB->getInstList().erase(SI);
1065     }
1066   }
1067
1068   // 'Recurse' to our successors.
1069   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1070   if (I == E) return;
1071
1072   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1073   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1074
1075   // Handle the first successor without using the worklist.
1076   VisitedSuccs.insert(*I);
1077   Pred = BB;
1078   BB = *I;
1079   ++I;
1080
1081   for (; I != E; ++I)
1082     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1083       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1084
1085   goto NextIteration;
1086 }
1087
1088 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1089 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function does
1090 /// not modify the CFG of the function at all.  All allocas must be from the
1091 /// same function.
1092 ///
1093 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1094 /// made to the IR.
1095 ///
1096 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1097                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1098   // If there is nothing to do, bail out...
1099   if (Allocas.empty()) return;
1100
1101   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1102 }