Hoist the two trivial promotion routines out of the big class that
[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/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
32 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
38 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
39 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
40 #include "llvm/DIBuilder.h"
41 #include "llvm/DebugInfo.h"
42 #include "llvm/IR/Constants.h"
43 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
44 #include "llvm/IR/Function.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/IR/Metadata.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <queue>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
55 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
56 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
57 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
58
59 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
60   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
61   // assignments to subsections of the memory unit.
62
63   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
64   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
65        UI != UE; ++UI) { // Loop over all of the uses of the alloca
66     const User *U = *UI;
67     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
68       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
69       // not have any meaning for a local alloca.
70       if (LI->isVolatile())
71         return false;
72     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
73       if (SI->getOperand(0) == AI)
74         return false; // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
75       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
76       // not have any meaning for a local alloca.
77       if (SI->isVolatile())
78         return false;
79     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
80       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
81           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
82         return false;
83     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
84       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
85         return false;
86       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
87         return false;
88     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
89       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
90         return false;
91       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
92         return false;
93       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 namespace {
104
105 struct AllocaInfo {
106   SmallVector<BasicBlock *, 32> DefiningBlocks;
107   SmallVector<BasicBlock *, 32> UsingBlocks;
108
109   StoreInst *OnlyStore;
110   BasicBlock *OnlyBlock;
111   bool OnlyUsedInOneBlock;
112
113   Value *AllocaPointerVal;
114   DbgDeclareInst *DbgDeclare;
115
116   void clear() {
117     DefiningBlocks.clear();
118     UsingBlocks.clear();
119     OnlyStore = 0;
120     OnlyBlock = 0;
121     OnlyUsedInOneBlock = true;
122     AllocaPointerVal = 0;
123     DbgDeclare = 0;
124   }
125
126   /// Scan the uses of the specified alloca, filling in the AllocaInfo used
127   /// by the rest of the pass to reason about the uses of this alloca.
128   void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
129     clear();
130
131     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
132     // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
133     // the same basic block.
134     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
135          UI != E;) {
136       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
137
138       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
139         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
140         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
141         AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
142         OnlyStore = SI;
143       } else {
144         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
145         // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
146         // reads.
147         UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
148         AllocaPointerVal = LI;
149       }
150
151       if (OnlyUsedInOneBlock) {
152         if (OnlyBlock == 0)
153           OnlyBlock = User->getParent();
154         else if (OnlyBlock != User->getParent())
155           OnlyUsedInOneBlock = false;
156       }
157     }
158
159     DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
160   }
161 };
162
163 // Data package used by RenamePass()
164 class RenamePassData {
165 public:
166   typedef std::vector<Value *> ValVector;
167
168   RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
169   RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P, const ValVector &V)
170       : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
171   BasicBlock *BB;
172   BasicBlock *Pred;
173   ValVector Values;
174
175   void swap(RenamePassData &RHS) {
176     std::swap(BB, RHS.BB);
177     std::swap(Pred, RHS.Pred);
178     Values.swap(RHS.Values);
179   }
180 };
181
182 /// \brief This assigns and keeps a per-bb relative ordering of load/store
183 /// instructions in the block that directly load or store an alloca.
184 ///
185 /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
186 /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
187 class LargeBlockInfo {
188   /// \brief For each instruction that we track, keep the index of the
189   /// instruction.
190   ///
191   /// The index starts out as the number of the instruction from the start of
192   /// the block.
193   DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
194
195 public:
196
197   /// This code only looks at accesses to allocas.
198   static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
199     return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
200            (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
201   }
202
203   /// Get or calculate the index of the specified instruction.
204   unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
205     assert(isInterestingInstruction(I) &&
206            "Not a load/store to/from an alloca?");
207
208     // If we already have this instruction number, return it.
209     DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
210     if (It != InstNumbers.end())
211       return It->second;
212
213     // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
214     // information for every interesting instruction in the block, in order to
215     // avoid gratuitus rescans.
216     const BasicBlock *BB = I->getParent();
217     unsigned InstNo = 0;
218     for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end(); BBI != E;
219          ++BBI)
220       if (isInterestingInstruction(BBI))
221         InstNumbers[BBI] = InstNo++;
222     It = InstNumbers.find(I);
223
224     assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
225     return It->second;
226   }
227
228   void deleteValue(const Instruction *I) { InstNumbers.erase(I); }
229
230   void clear() { InstNumbers.clear(); }
231 };
232
233 struct PromoteMem2Reg {
234   /// The alloca instructions being promoted.
235   std::vector<AllocaInst *> Allocas;
236   DominatorTree &DT;
237   DIBuilder DIB;
238
239   /// An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
240   AliasSetTracker *AST;
241
242   /// Reverse mapping of Allocas.
243   DenseMap<AllocaInst *, unsigned> AllocaLookup;
244
245   /// \brief The PhiNodes we're adding.
246   ///
247   /// That map is used to simplify some Phi nodes as we iterate over it, so
248   /// it should have deterministic iterators.  We could use a MapVector, but
249   /// since we already maintain a map from BasicBlock* to a stable numbering
250   /// (BBNumbers), the DenseMap is more efficient (also supports removal).
251   DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *> NewPhiNodes;
252
253   /// For each PHI node, keep track of which entry in Allocas it corresponds
254   /// to.
255   DenseMap<PHINode *, unsigned> PhiToAllocaMap;
256
257   /// If we are updating an AliasSetTracker, then for each alloca that is of
258   /// pointer type, we keep track of what to copyValue to the inserted PHI
259   /// nodes here.
260   std::vector<Value *> PointerAllocaValues;
261
262   /// For each alloca, we keep track of the dbg.declare intrinsic that
263   /// describes it, if any, so that we can convert it to a dbg.value
264   /// intrinsic if the alloca gets promoted.
265   SmallVector<DbgDeclareInst *, 8> AllocaDbgDeclares;
266
267   /// The set of basic blocks the renamer has already visited.
268   ///
269   SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
270
271   /// Contains a stable numbering of basic blocks to avoid non-determinstic
272   /// behavior.
273   DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BBNumbers;
274
275   /// Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
276   DenseMap<DomTreeNode *, unsigned> DomLevels;
277
278   /// Lazily compute the number of predecessors a block has.
279   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> BBNumPreds;
280
281 public:
282   PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst *> &Allocas, DominatorTree &DT,
283                  AliasSetTracker *AST)
284       : Allocas(Allocas), DT(DT), DIB(*DT.getRoot()->getParent()->getParent()),
285         AST(AST) {}
286
287   void run();
288
289   /// Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
290   bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
291     return DT.dominates(BB1, BB2);
292   }
293
294 private:
295   void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
296     Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
297     Allocas.pop_back();
298     --AllocaIdx;
299   }
300
301   unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
302     unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
303     if (NP == 0)
304       NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB)) + 1;
305     return NP - 1;
306   }
307
308   void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
309                                AllocaInfo &Info);
310   void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
311                            const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
312                            SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks);
313   void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
314                   RenamePassData::ValVector &IncVals,
315                   std::vector<RenamePassData> &Worklist);
316   bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
317 };
318
319 } // end of anonymous namespace
320
321 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
322   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
323   // instructions except for load and store.
324
325   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
326        UI != UE;) {
327     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
328     ++UI;
329     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
330       continue;
331
332     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
333       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
334       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
335       // dead code elimination later.
336       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
337            UI != UE;) {
338         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
339         ++UI;
340         Inst->eraseFromParent();
341       }
342     }
343     I->eraseFromParent();
344   }
345 }
346
347 /// If there is only a single store to this value, replace any loads of it that
348 /// are directly dominated by the definition with the value stored.
349 static void rewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
350                                      LargeBlockInfo &LBI,
351                                      DominatorTree &DT,
352                                      AliasSetTracker *AST) {
353   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
354   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
355   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
356   int StoreIndex = -1;
357
358   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
359   Info.UsingBlocks.clear();
360
361   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
362     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
363     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
364       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
365       continue;
366     }
367     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
368
369     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
370     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
371     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
372     // to insert the phi nodes as needed.
373     if (!StoringGlobalVal) { // Non-instructions are always dominated.
374       if (LI->getParent() == StoreBB) {
375         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
376         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
377         // load came before the store, we can't handle it.
378         if (StoreIndex == -1)
379           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
380
381         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
382           // Can't handle this load, bail out.
383           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
384           continue;
385         }
386
387       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
388                  !DT.dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
389         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
390         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
391         // out.
392         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
393         continue;
394       }
395     }
396
397     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
398     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
399     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
400     // code.
401     if (ReplVal == LI)
402       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
403     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
404     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
405       AST->deleteValue(LI);
406     LI->eraseFromParent();
407     LBI.deleteValue(LI);
408   }
409 }
410
411 namespace {
412 /// This is a helper predicate used to search by the first element of a pair.
413 struct StoreIndexSearchPredicate {
414   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst *> &LHS,
415                   const std::pair<unsigned, StoreInst *> &RHS) {
416     return LHS.first < RHS.first;
417   }
418 };
419 }
420
421 /// Many allocas are only used within a single basic block.  If this is the
422 /// case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of potentially useless
423 /// PHI nodes by just performing a single linear pass over the basic block
424 /// using the Alloca.
425 ///
426 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
427 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
428 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
429 /// this is potentially correct:
430 ///
431 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
432 ///
433 /// ... so long as A is not used before undef is set.
434 static void promoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
435                                      LargeBlockInfo &LBI,
436                                      AliasSetTracker *AST) {
437   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
438   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
439   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
440   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
441
442   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
443   Info.UsingBlocks.clear();
444
445   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
446   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst *>, 64> StoresByIndexTy;
447   StoresByIndexTy StoresByIndex;
448
449   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;
450        ++UI)
451     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
452       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
453
454   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
455   if (StoresByIndex.empty()) {
456     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;)
457       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
458         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
459         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
460           AST->deleteValue(LI);
461         LBI.deleteValue(LI);
462         LI->eraseFromParent();
463       }
464     return;
465   }
466
467   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
468   // binary search.
469   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
470
471   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
472   // store above them, if any.
473   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
474     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
475     if (!LI)
476       continue;
477
478     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
479
480     // Find the nearest store that has a lower than this load.
481     StoresByIndexTy::iterator I = std::lower_bound(
482         StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
483         std::pair<unsigned, StoreInst *>(LoadIdx, static_cast<StoreInst *>(0)),
484         StoreIndexSearchPredicate());
485
486     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
487     if (I == StoresByIndex.begin()) {
488       // Can't handle this load, bail out.
489       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
490       continue;
491     }
492
493     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
494     --I;
495     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
496     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
497       AST->deleteValue(LI);
498     LI->eraseFromParent();
499     LBI.deleteValue(LI);
500   }
501 }
502
503 void PromoteMem2Reg::run() {
504   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
505
506   if (AST)
507     PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
508   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
509
510   AllocaInfo Info;
511   LargeBlockInfo LBI;
512
513   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
514     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
515
516     assert(isAllocaPromotable(AI) && "Cannot promote non-promotable alloca!");
517     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
518            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
519
520     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
521
522     if (AI->use_empty()) {
523       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
524       if (AST)
525         AST->deleteValue(AI);
526       AI->eraseFromParent();
527
528       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
529       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
530       ++NumDeadAlloca;
531       continue;
532     }
533
534     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
535     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
536     Info.AnalyzeAlloca(AI);
537
538     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
539     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
540     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
541       rewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI, DT, AST);
542
543       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
544       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
545         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's
546         // debuginfo.
547         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
548           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, DIB);
549           DDI->eraseFromParent();
550         }
551         // Remove the (now dead) store and alloca.
552         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
553         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
554
555         if (AST)
556           AST->deleteValue(AI);
557         AI->eraseFromParent();
558         LBI.deleteValue(AI);
559
560         // The alloca has been processed, move on.
561         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
562
563         ++NumSingleStore;
564         continue;
565       }
566     }
567
568     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
569     // linear sweep over the block to eliminate it.
570     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
571       promoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI, AST);
572
573       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
574       // left.
575       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
576
577         // Remove the (now dead) stores and alloca.
578         while (!AI->use_empty()) {
579           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
580           // Record debuginfo for the store before removing it.
581           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
582             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
583           SI->eraseFromParent();
584           LBI.deleteValue(SI);
585         }
586
587         if (AST)
588           AST->deleteValue(AI);
589         AI->eraseFromParent();
590         LBI.deleteValue(AI);
591
592         // The alloca has been processed, move on.
593         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
594
595         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
596         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
597           DDI->eraseFromParent();
598
599         ++NumLocalPromoted;
600         continue;
601       }
602     }
603
604     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
605     if (DomLevels.empty()) {
606       SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
607
608       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
609       DomLevels[Root] = 0;
610       Worklist.push_back(Root);
611
612       while (!Worklist.empty()) {
613         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
614         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
615         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
616              CI != CE; ++CI) {
617           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
618           Worklist.push_back(*CI);
619         }
620       }
621     }
622
623     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
624     // now.
625     if (BBNumbers.empty()) {
626       unsigned ID = 0;
627       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
628         BBNumbers[I] = ID++;
629     }
630
631     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
632     // stored into the alloca.
633     if (AST)
634       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
635
636     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
637     if (Info.DbgDeclare)
638       AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
639
640     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
641     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
642
643     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
644     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
645     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
646     // dead phi nodes.
647     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
648   }
649
650   if (Allocas.empty())
651     return; // All of the allocas must have been trivial!
652
653   LBI.clear();
654
655   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
656   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
657   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
658   //
659   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
660   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
661     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
662
663   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
664   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
665   //
666   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
667   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
668   do {
669     RenamePassData RPD;
670     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
671     RenamePassWorkList.pop_back();
672     // RenamePass may add new worklist entries.
673     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
674   } while (!RenamePassWorkList.empty());
675
676   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
677   Visited.clear();
678
679   // Remove the allocas themselves from the function.
680   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
681     Instruction *A = Allocas[i];
682
683     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
684     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
685     // tree. Just delete the users now.
686     if (!A->use_empty())
687       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
688     if (AST)
689       AST->deleteValue(A);
690     A->eraseFromParent();
691   }
692
693   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
694   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
695     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
696       DDI->eraseFromParent();
697
698   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
699   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
700   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
701   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
702   bool EliminatedAPHI = true;
703   while (EliminatedAPHI) {
704     EliminatedAPHI = false;
705
706     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
707     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
708     // the values we replace with in a non deterministic order, thus creating
709     // non deterministic def->use chains.
710     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
711              I = NewPhiNodes.begin(),
712              E = NewPhiNodes.end();
713          I != E;) {
714       PHINode *PN = I->second;
715
716       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
717       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, &DT)) {
718         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
719           AST->deleteValue(PN);
720         PN->replaceAllUsesWith(V);
721         PN->eraseFromParent();
722         NewPhiNodes.erase(I++);
723         EliminatedAPHI = true;
724         continue;
725       }
726       ++I;
727     }
728   }
729
730   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
731   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
732   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
733   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
734   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
735   //
736   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
737            I = NewPhiNodes.begin(),
738            E = NewPhiNodes.end();
739        I != E; ++I) {
740     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
741     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
742     PHINode *SomePHI = I->second;
743     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
744     if (&BB->front() != SomePHI)
745       continue;
746
747     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
748     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
749     // number of incoming values, so we can just check any of them.
750     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
751       continue;
752
753     // Get the preds for BB.
754     SmallVector<BasicBlock *, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
755
756     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
757     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
758     // access.
759     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
760
761     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
762     // them from the Preds list.
763     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
764       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
765       SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator EntIt = std::lower_bound(
766           Preds.begin(), Preds.end(), SomePHI->getIncomingBlock(i));
767       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i) &&
768              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
769
770       // Remove the entry
771       Preds.erase(EntIt);
772     }
773
774     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
775     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
776     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
777     // mem2reg runs).
778     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
779     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
780     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
781            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
782       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
783       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
784         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
785     }
786   }
787
788   NewPhiNodes.clear();
789 }
790
791 /// \brief Determine which blocks the value is live in.
792 ///
793 /// These are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid
794 /// inserting PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the
795 /// inserted phi nodes would be dead).
796 void PromoteMem2Reg::ComputeLiveInBlocks(
797     AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
798     const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
799     SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks) {
800
801   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
802   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
803   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
804   SmallVector<BasicBlock *, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
805                                                     Info.UsingBlocks.end());
806
807   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
808   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
809   // the value isn't really live-in.
810   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
811     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
812     if (!DefBlocks.count(BB))
813       continue;
814
815     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
816     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
817     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();; ++I) {
818       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
819         if (SI->getOperand(1) != AI)
820           continue;
821
822         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
823         // actually live-in here.
824         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
825         LiveInBlockWorklist.pop_back();
826         --i, --e;
827         break;
828       }
829
830       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
831         if (LI->getOperand(0) != AI)
832           continue;
833
834         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
835         // live into this block.
836         break;
837       }
838     }
839   }
840
841   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
842   // their predecessors until we find the full region the value is live.
843   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
844     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
845
846     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
847     // the set, then it has already been processed.
848     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
849       continue;
850
851     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
852     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
853     // defining block.
854     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
855       BasicBlock *P = *PI;
856
857       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
858       if (DefBlocks.count(P))
859         continue;
860
861       // Otherwise it is, add to the worklist.
862       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
863     }
864   }
865 }
866
867 namespace {
868 typedef std::pair<DomTreeNode *, unsigned> DomTreeNodePair;
869
870 struct DomTreeNodeCompare {
871   bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
872     return LHS.second < RHS.second;
873   }
874 };
875 } // end anonymous namespace
876
877 /// At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and the
878 /// standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi nodes
879 /// and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of dead phi
880 /// nodes.
881 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
882                                              AllocaInfo &Info) {
883   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
884   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> DefBlocks;
885   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
886
887   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
888   // to uses.
889   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> LiveInBlocks;
890   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
891
892   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
893   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
894   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair,
895                               SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
896                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
897   IDFPriorityQueue PQ;
898
899   for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
900                                                      E = DefBlocks.end();
901        I != E; ++I) {
902     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
903       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
904   }
905
906   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock *>, 32> DFBlocks;
907   SmallPtrSet<DomTreeNode *, 32> Visited;
908   SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
909   while (!PQ.empty()) {
910     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
911     PQ.pop();
912     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
913     unsigned RootLevel = RootPair.second;
914
915     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
916     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
917     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
918     // definition set.
919
920     Worklist.clear();
921     Worklist.push_back(Root);
922
923     while (!Worklist.empty()) {
924       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
925       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
926
927       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
928            ++SI) {
929         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
930
931         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
932         // of catching them below.
933         if (SuccNode->getIDom() == Node)
934           continue;
935
936         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
937         if (SuccLevel > RootLevel)
938           continue;
939
940         if (!Visited.insert(SuccNode))
941           continue;
942
943         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
944         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
945           continue;
946
947         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
948         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
949           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
950       }
951
952       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
953            ++CI) {
954         if (!Visited.count(*CI))
955           Worklist.push_back(*CI);
956       }
957     }
958   }
959
960   if (DFBlocks.size() > 1)
961     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
962
963   unsigned CurrentVersion = 0;
964   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
965     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
966 }
967
968 /// \brief Queue a phi-node to be added to a basic-block for a specific Alloca.
969 ///
970 /// Returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
971 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
972                                   unsigned &Version) {
973   // Look up the basic-block in question.
974   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
975
976   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
977   if (PN)
978     return false;
979
980   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
981   // BasicBlock.
982   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
983                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++),
984                        BB->begin());
985   ++NumPHIInsert;
986   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
987
988   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
989     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
990
991   return true;
992 }
993
994 /// \brief Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
995 /// stores to the allocas which we are promoting.
996 ///
997 /// IncomingVals indicates what value each Alloca contains on exit from the
998 /// predecessor block Pred.
999 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
1000                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
1001                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
1002 NextIteration:
1003   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
1004   // block.
1005   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
1006     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
1007     // BB.
1008     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
1009       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
1010       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
1011       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
1012       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
1013       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
1014       // operands so far.  Remember this count.
1015       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
1016
1017       unsigned NumEdges = 0;
1018       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
1019         if (*I == BB)
1020           ++NumEdges;
1021       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1022
1023       // Add entries for all the phis.
1024       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1025       do {
1026         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1027
1028         // Add N incoming values to the PHI node.
1029         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1030           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1031
1032         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1033         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1034
1035         // Get the next phi node.
1036         ++PNI;
1037         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1038         if (APN == 0)
1039           break;
1040
1041         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1042         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1043       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1044     }
1045   }
1046
1047   // Don't revisit blocks.
1048   if (!Visited.insert(BB))
1049     return;
1050
1051   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II);) {
1052     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1053
1054     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1055       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1056       if (!Src)
1057         continue;
1058
1059       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1060       if (AI == AllocaLookup.end())
1061         continue;
1062
1063       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1064
1065       // Anything using the load now uses the current value.
1066       LI->replaceAllUsesWith(V);
1067       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1068         AST->deleteValue(LI);
1069       BB->getInstList().erase(LI);
1070     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1071       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1072       // value
1073       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1074       if (!Dest)
1075         continue;
1076
1077       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1078       if (ai == AllocaLookup.end())
1079         continue;
1080
1081       // what value were we writing?
1082       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1083       // Record debuginfo for the store before removing it.
1084       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1085         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1086       BB->getInstList().erase(SI);
1087     }
1088   }
1089
1090   // 'Recurse' to our successors.
1091   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1092   if (I == E)
1093     return;
1094
1095   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1096   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> VisitedSuccs;
1097
1098   // Handle the first successor without using the worklist.
1099   VisitedSuccs.insert(*I);
1100   Pred = BB;
1101   BB = *I;
1102   ++I;
1103
1104   for (; I != E; ++I)
1105     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1106       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1107
1108   goto NextIteration;
1109 }
1110
1111 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst *> &Allocas,
1112                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1113   // If there is nothing to do, bail out...
1114   if (Allocas.empty())
1115     return;
1116
1117   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1118 }