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