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