Promoting allocas with the 'single store' fastpath is
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file promote 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/Analysis/Dominators.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
27 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
28 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
32 #include "llvm/Support/CFG.h"
33 #include "llvm/Support/Compiler.h"
34 #include <algorithm>
35 using namespace llvm;
36
37 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
38 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
39 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
40
41 // Provide DenseMapKeyInfo for all pointers.
42 namespace llvm {
43 template<>
44 struct DenseMapKeyInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
45   static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getEmptyKey() {
46     return std::make_pair((BasicBlock*)-1, ~0U);
47   }
48   static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getTombstoneKey() {
49     return std::make_pair((BasicBlock*)-2, 0U);
50   }
51   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
52     return DenseMapKeyInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
53   }
54   static bool isPod() { return true; }
55 };
56 }
57
58 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
59 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
60 ///
61 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
62   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
63   // assignments to subsections of the memory unit.
64
65   // Only allow direct loads and stores...
66   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
67        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
68     if (isa<LoadInst>(*UI)) {
69       // noop
70     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
71       if (SI->getOperand(0) == AI)
72         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
73     } else {
74       return false;   // Not a load or store.
75     }
76
77   return true;
78 }
79
80 namespace {
81   struct AllocaInfo;
82
83   // Data package used by RenamePass()
84   class VISIBILITY_HIDDEN RenamePassData {
85   public:
86     typedef std::vector<Value *> ValVector;
87     
88     RenamePassData() {}
89     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
90                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
91     BasicBlock *BB;
92     BasicBlock *Pred;
93     ValVector Values;
94     
95     void swap(RenamePassData &RHS) {
96       std::swap(BB, RHS.BB);
97       std::swap(Pred, RHS.Pred);
98       Values.swap(RHS.Values);
99     }
100   };
101
102   struct VISIBILITY_HIDDEN PromoteMem2Reg {
103     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
104     ///
105     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
106     SmallVector<AllocaInst*, 16> &RetryList;
107     DominatorTree &DT;
108     DominanceFrontier &DF;
109
110     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
111     ///
112     AliasSetTracker *AST;
113
114     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
115     ///
116     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
117
118     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
119     ///
120     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
121     
122     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
123     /// it corresponds to.
124     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
125     
126     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
127     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
128     /// to the inserted PHI nodes here.
129     ///
130     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
131
132     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
133     ///
134     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
135
136     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
137     /// non-determinstic behavior.
138     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
139
140   public:
141     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A,
142                    SmallVector<AllocaInst*, 16> &Retry, DominatorTree &dt,
143                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
144       : Allocas(A), RetryList(Retry), DT(dt), DF(df), AST(ast) {}
145
146     void run();
147
148     /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
149     ///
150     bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
151       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
152         I1 = II->getNormalDest()->begin();
153       return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
154     }
155     
156     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
157     ///
158     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
159       return DT.dominates(BB1, BB2);
160     }
161
162   private:
163     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
164       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
165       Allocas.pop_back();
166       --AllocaIdx;
167     }
168     
169     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info);
170
171     void MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
172                                SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes);
173     bool PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI);
174     void PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB,
175                                    const std::vector<AllocaInst*> &AIs);
176
177     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
178                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
179                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
180     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
181                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
182   };
183   
184   struct AllocaInfo {
185     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
186     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
187     
188     StoreInst  *OnlyStore;
189     BasicBlock *OnlyBlock;
190     bool OnlyUsedInOneBlock;
191     
192     Value *AllocaPointerVal;
193     
194     void clear() {
195       DefiningBlocks.clear();
196       UsingBlocks.clear();
197       OnlyStore = 0;
198       OnlyBlock = 0;
199       OnlyUsedInOneBlock = true;
200       AllocaPointerVal = 0;
201     }
202     
203     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
204     /// ivars.
205     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
206       clear();
207       
208       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
209       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
210       // the same basic block.
211       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
212            U != E; ++U){
213         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
214         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
215           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
216           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
217           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
218           OnlyStore = SI;
219         } else {
220           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
221           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable reads
222           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
223           AllocaPointerVal = LI;
224         }
225         
226         if (OnlyUsedInOneBlock) {
227           if (OnlyBlock == 0)
228             OnlyBlock = User->getParent();
229           else if (OnlyBlock != User->getParent())
230             OnlyUsedInOneBlock = false;
231         }
232       }
233     }
234   };
235
236 }  // end of anonymous namespace
237
238
239 void PromoteMem2Reg::run() {
240   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
241
242   // LocallyUsedAllocas - Keep track of all of the alloca instructions which are
243   // only used in a single basic block.  These instructions can be efficiently
244   // promoted by performing a single linear scan over that one block.  Since
245   // individual basic blocks are sometimes large, we group together all allocas
246   // that are live in a single basic block by the basic block they are live in.
247   std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> > LocallyUsedAllocas;
248
249   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
250
251   AllocaInfo Info;
252
253   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
254     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
255
256     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
257            "Cannot promote non-promotable alloca!");
258     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
259            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
260
261     if (AI->use_empty()) {
262       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
263       if (AST) AST->deleteValue(AI);
264       AI->eraseFromParent();
265
266       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
267       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
268       ++NumDeadAlloca;
269       continue;
270     }
271     
272     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
273     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
274     Info.AnalyzeAlloca(AI);
275
276     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
277     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
278     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
279       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info);
280
281       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
282       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
283         // Remove the (now dead) store and alloca.
284         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
285         if (AST) AST->deleteValue(AI);
286         AI->eraseFromParent();
287         
288         // The alloca has been processed, move on.
289         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
290         
291         ++NumSingleStore;
292         continue;
293       }
294     }
295     
296     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
297     // linear sweep over the block to eliminate it.
298     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
299       LocallyUsedAllocas[Info.OnlyBlock].push_back(AI);
300       
301       // Remove the alloca from the Allocas list, since it will be processed.
302       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
303       continue;
304     }
305     
306     if (AST)
307       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
308
309     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
310     // now.
311     if (BBNumbers.empty()) {
312       unsigned ID = 0;
313       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
314         BBNumbers[I] = ID++;
315     }
316
317     // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
318     // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
319     //
320     unsigned CurrentVersion = 0;
321     SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
322     std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
323     while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
324       BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
325       Info.DefiningBlocks.pop_back();
326
327       // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
328       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
329       if (it != DF.end()) {
330         const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
331
332         // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
333         // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
334         // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
335         // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
336         // processing blocks in order of the occurance in the function.
337         for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
338              PE = S.end(); P != PE; ++P)
339           DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
340
341         // Sort by which the block ordering in the function.
342         std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
343
344         for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
345           BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
346           if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
347             Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
348         }
349         DFBlocks.clear();
350       }
351     }
352
353     // Now that we have inserted PHI nodes along the Iterated Dominance Frontier
354     // of the writes to the variable, scan through the reads of the variable,
355     // marking PHI nodes which are actually necessary as alive (by removing them
356     // from the InsertedPHINodes set).  This is not perfect: there may PHI
357     // marked alive because of loads which are dominated by stores, but there
358     // will be no unmarked PHI nodes which are actually used.
359     //
360     for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i)
361       MarkDominatingPHILive(Info.UsingBlocks[i], AllocaNum, InsertedPHINodes);
362     Info.UsingBlocks.clear();
363
364     // If there are any PHI nodes which are now known to be dead, remove them!
365     for (SmallPtrSet<PHINode*, 16>::iterator I = InsertedPHINodes.begin(),
366            E = InsertedPHINodes.end(); I != E; ++I) {
367       PHINode *PN = *I;
368       bool Erased=NewPhiNodes.erase(std::make_pair(PN->getParent(), AllocaNum));
369       Erased=Erased;
370       assert(Erased && "PHI already removed?");
371       
372       if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
373         AST->deleteValue(PN);
374       PN->eraseFromParent();
375       PhiToAllocaMap.erase(PN);
376     }
377
378     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array.
379     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
380   }
381
382   // Process all allocas which are only used in a single basic block.
383   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> >::iterator I =
384          LocallyUsedAllocas.begin(), E = LocallyUsedAllocas.end(); I != E; ++I){
385     const std::vector<AllocaInst*> &LocAllocas = I->second;
386     assert(!LocAllocas.empty() && "empty alloca list??");
387
388     // It's common for there to only be one alloca in the list.  Handle it
389     // efficiently.
390     if (LocAllocas.size() == 1) {
391       // If we can do the quick promotion pass, do so now.
392       if (PromoteLocallyUsedAlloca(I->first, LocAllocas[0]))
393         RetryList.push_back(LocAllocas[0]);  // Failed, retry later.
394     } else {
395       // Locally promote anything possible.  Note that if this is unable to
396       // promote a particular alloca, it puts the alloca onto the Allocas vector
397       // for global processing.
398       PromoteLocallyUsedAllocas(I->first, LocAllocas);
399     }
400   }
401
402   if (Allocas.empty())
403     return; // All of the allocas must have been trivial!
404
405   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
406   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
407   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
408   //
409   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
410   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
411     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
412
413   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
414   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
415   //
416   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
417   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
418   while (!RenamePassWorkList.empty()) {
419     RenamePassData RPD;
420     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
421     RenamePassWorkList.pop_back();
422     // RenamePass may add new worklist entries.
423     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
424   }
425   
426   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
427   Visited.clear();
428
429   // Remove the allocas themselves from the function.
430   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
431     Instruction *A = Allocas[i];
432
433     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
434     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
435     // Just delete the users now.
436     //
437     if (!A->use_empty())
438       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
439     if (AST) AST->deleteValue(A);
440     A->eraseFromParent();
441   }
442
443   
444   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
445   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
446   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
447   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
448   bool EliminatedAPHI = true;
449   while (EliminatedAPHI) {
450     EliminatedAPHI = false;
451     
452     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
453            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
454       PHINode *PN = I->second;
455       
456       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
457       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
458         if (!isa<Instruction>(V) ||
459             properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
460           if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
461             AST->deleteValue(PN);
462           PN->replaceAllUsesWith(V);
463           PN->eraseFromParent();
464           NewPhiNodes.erase(I++);
465           EliminatedAPHI = true;
466           continue;
467         }
468       }
469       ++I;
470     }
471   }
472   
473   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
474   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
475   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
476   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
477   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
478   //
479   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
480          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
481     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
482     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
483     PHINode *SomePHI = I->second;
484     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
485     if (&BB->front() != SomePHI)
486       continue;
487
488     // Count the number of preds for BB.
489     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
490
491     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
492     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
493     // number of incoming values, so we can just check any of them.
494     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == Preds.size())
495       continue;
496     
497     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
498     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
499     // access.
500     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
501     
502     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
503     // them from the Preds list.
504     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
505       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
506       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
507         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
508                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
509       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
510              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
511
512       // Remove the entry
513       Preds.erase(EntIt);
514     }
515
516     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
517     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
518     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
519     // mem2reg runs).
520     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
521     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
522     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
523            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
524       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
525       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
526         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
527     }
528   }
529         
530   NewPhiNodes.clear();
531 }
532
533
534 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
535 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
536 /// the value stored.
537 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
538                                               AllocaInfo &Info) {
539   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
540   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
541   
542   // Be aware of loads before the store.
543   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> ProcessedBlocks;
544   for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i) {
545     BasicBlock *UseBlock = Info.UsingBlocks[i];
546     
547     // If we already processed this block, don't reprocess it.
548     if (!ProcessedBlocks.insert(UseBlock)) {
549       Info.UsingBlocks[i] = Info.UsingBlocks.back();
550       Info.UsingBlocks.pop_back();
551       --i; --e;
552       continue;
553     }
554     
555     // If the store dominates the block and if we haven't processed it yet,
556     // do so now.  We can't handle the case where the store doesn't dominate a
557     // block because there may be a path between the store and the use, but we
558     // may need to insert phi nodes to handle dominance properly.
559     if (!StoringGlobalVal && !dominates(OnlyStore->getParent(), UseBlock))
560       continue;
561     
562     // If the use and store are in the same block, do a quick scan to
563     // verify that there are no uses before the store.
564     if (UseBlock == OnlyStore->getParent()) {
565       BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin();
566       for (; &*I != OnlyStore; ++I) { // scan block for store.
567         if (isa<LoadInst>(I) && I->getOperand(0) == AI)
568           break;
569       }
570       if (&*I != OnlyStore)
571         continue;  // Do not promote the uses of this in this block.
572     }
573     
574     // Otherwise, if this is a different block or if all uses happen
575     // after the store, do a simple linear scan to replace loads with
576     // the stored value.
577     for (BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin(), E = UseBlock->end();
578          I != E; ) {
579       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I++)) {
580         if (LI->getOperand(0) == AI) {
581           LI->replaceAllUsesWith(OnlyStore->getOperand(0));
582           if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
583             AST->deleteValue(LI);
584           LI->eraseFromParent();
585         }
586       }
587     }
588     
589     // Finally, remove this block from the UsingBlock set.
590     Info.UsingBlocks[i] = Info.UsingBlocks.back();
591     Info.UsingBlocks.pop_back();
592     --i; --e;
593   }
594 }
595
596
597 // MarkDominatingPHILive - Mem2Reg wants to construct "pruned" SSA form, not
598 // "minimal" SSA form.  To do this, it inserts all of the PHI nodes on the IDF
599 // as usual (inserting the PHI nodes in the DeadPHINodes set), then processes
600 // each read of the variable.  For each block that reads the variable, this
601 // function is called, which removes used PHI nodes from the DeadPHINodes set.
602 // After all of the reads have been processed, any PHI nodes left in the
603 // DeadPHINodes set are removed.
604 //
605 void PromoteMem2Reg::MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
606                                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes) {
607   // Scan the immediate dominators of this block looking for a block which has a
608   // PHI node for Alloca num.  If we find it, mark the PHI node as being alive!
609   DomTreeNode *IDomNode = DT.getNode(BB);
610   for (DomTreeNode *IDom = IDomNode; IDom; IDom = IDom->getIDom()) {
611     BasicBlock *DomBB = IDom->getBlock();
612     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator
613       I = NewPhiNodes.find(std::make_pair(DomBB, AllocaNum));
614     if (I != NewPhiNodes.end()) {
615       // Ok, we found an inserted PHI node which dominates this value.
616       PHINode *DominatingPHI = I->second;
617
618       // Find out if we previously thought it was dead.  If so, mark it as being
619       // live by removing it from the DeadPHINodes set.
620       if (DeadPHINodes.erase(DominatingPHI)) {
621         // Now that we have marked the PHI node alive, also mark any PHI nodes
622         // which it might use as being alive as well.
623         for (pred_iterator PI = pred_begin(DomBB), PE = pred_end(DomBB);
624              PI != PE; ++PI)
625           MarkDominatingPHILive(*PI, AllocaNum, DeadPHINodes);
626       }
627     }
628   }
629 }
630
631 /// PromoteLocallyUsedAlloca - Many allocas are only used within a single basic
632 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
633 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
634 /// the basic block using the Alloca.
635 ///
636 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
637 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
638 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
639 /// this is potentially correct:
640 ///
641 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
642 ///
643 /// ... so long as A is not used before undef is set.
644 ///
645 bool PromoteMem2Reg::PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI) {
646   assert(!AI->use_empty() && "There are no uses of the alloca!");
647
648   // Handle degenerate cases quickly.
649   if (AI->hasOneUse()) {
650     Instruction *U = cast<Instruction>(AI->use_back());
651     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
652       // Must be a load of uninitialized value.
653       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(AI->getAllocatedType()));
654       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
655         AST->deleteValue(LI);
656     } else {
657       // Otherwise it must be a store which is never read.
658       assert(isa<StoreInst>(U));
659     }
660     BB->getInstList().erase(U);
661   } else {
662     // Uses of the uninitialized memory location shall get undef.
663     Value *CurVal = 0;
664
665     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
666       Instruction *Inst = I++;
667       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
668         if (LI->getOperand(0) == AI) {
669           if (!CurVal) return true;  // Could not locally promote!
670
671           // Loads just returns the "current value"...
672           LI->replaceAllUsesWith(CurVal);
673           if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
674             AST->deleteValue(LI);
675           BB->getInstList().erase(LI);
676         }
677       } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
678         if (SI->getOperand(1) == AI) {
679           // Store updates the "current value"...
680           CurVal = SI->getOperand(0);
681           BB->getInstList().erase(SI);
682         }
683       }
684     }
685   }
686
687   // After traversing the basic block, there should be no more uses of the
688   // alloca: remove it now.
689   assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
690   if (AST) AST->deleteValue(AI);
691   AI->eraseFromParent();
692   
693   ++NumLocalPromoted;
694   return false;
695 }
696
697 /// PromoteLocallyUsedAllocas - This method is just like
698 /// PromoteLocallyUsedAlloca, except that it processes multiple alloca
699 /// instructions in parallel.  This is important in cases where we have large
700 /// basic blocks, as we don't want to rescan the entire basic block for each
701 /// alloca which is locally used in it (which might be a lot).
702 void PromoteMem2Reg::
703 PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB, const std::vector<AllocaInst*> &AIs) {
704   DenseMap<AllocaInst*, Value*> CurValues;
705   for (unsigned i = 0, e = AIs.size(); i != e; ++i)
706     CurValues[AIs[i]] = 0; // Insert with null value
707
708   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
709     Instruction *Inst = I++;
710     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
711       // Is this a load of an alloca we are tracking?
712       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getOperand(0))) {
713         DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
714         if (AIt != CurValues.end()) {
715           // If loading an uninitialized value, allow the inter-block case to
716           // handle it.  Due to control flow, this might actually be ok.
717           if (AIt->second == 0) {  // Use of locally uninitialized value??
718             RetryList.push_back(AI);   // Retry elsewhere.
719             CurValues.erase(AIt);   // Stop tracking this here.
720             if (CurValues.empty()) return;
721           } else {
722             // Loads just returns the "current value"...
723             LI->replaceAllUsesWith(AIt->second);
724             if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
725               AST->deleteValue(LI);
726             BB->getInstList().erase(LI);
727           }
728         }
729       }
730     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
731       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getOperand(1))) {
732         DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
733         if (AIt != CurValues.end()) {
734           // Store updates the "current value"...
735           AIt->second = SI->getOperand(0);
736           SI->eraseFromParent();
737         }
738       }
739     }
740   }
741   
742   // At the end of the block scan, all allocas in CurValues are dead.
743   for (DenseMap<AllocaInst*, Value*>::iterator I = CurValues.begin(),
744        E = CurValues.end(); I != E; ++I) {
745     AllocaInst *AI = I->first;
746     assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
747     if (AST) AST->deleteValue(AI);
748     AI->eraseFromParent();
749   }
750
751   NumLocalPromoted += CurValues.size();
752 }
753
754
755
756 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
757 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
758 //
759 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
760                                   unsigned &Version,
761                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
762   // Look up the basic-block in question.
763   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
764
765   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
766   if (PN) return false;
767
768   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
769   // BasicBlock.
770   PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
771                    Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
772                    utostr(Version++), BB->begin());
773   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
774   
775   InsertedPHINodes.insert(PN);
776
777   if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
778     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
779
780   return true;
781 }
782
783
784 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
785 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
786 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
787 //
788 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
789                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
790                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
791   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
792   // block.
793   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
794     // Pred may have multiple edges to BB.  If so, we want to add N incoming
795     // values to each PHI we are inserting on the first time we see the edge.
796     // Check to see if APN already has incoming values from Pred.  This also
797     // prevents us from modifying PHI nodes that are not currently being
798     // inserted.
799     bool HasPredEntries = false;
800     for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
801       if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
802         HasPredEntries = true;
803         break;
804       }
805     }
806     
807     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
808     // BB.
809     if (!HasPredEntries) {
810       TerminatorInst *PredTerm = Pred->getTerminator();
811       unsigned NumEdges = 0;
812       for (unsigned i = 0, e = PredTerm->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
813         if (PredTerm->getSuccessor(i) == BB)
814           ++NumEdges;
815       }
816       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
817       
818       // Add entries for all the phis.
819       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
820       do {
821         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
822         
823         // Add N incoming values to the PHI node.
824         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
825           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
826         
827         // The currently active variable for this block is now the PHI.
828         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
829         
830         // Get the next phi node.
831         ++PNI;
832         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
833         if (APN == 0) break;
834         
835         // Verify it doesn't already have entries for Pred.  If it does, it is
836         // not being inserted by this mem2reg invocation.
837         HasPredEntries = false;
838         for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
839           if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
840             HasPredEntries = true;
841             break;
842           }
843         }
844       } while (!HasPredEntries);
845     }
846   }
847   
848   // Don't revisit blocks.
849   if (!Visited.insert(BB)) return;
850
851   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
852     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
853
854     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
855       if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand())) {
856         std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
857         if (AI != AllocaLookup.end()) {
858           Value *V = IncomingVals[AI->second];
859
860           // walk the use list of this load and replace all uses with r
861           LI->replaceAllUsesWith(V);
862           if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
863             AST->deleteValue(LI);
864           BB->getInstList().erase(LI);
865         }
866       }
867     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
868       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
869       // value
870       if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand())) {
871         std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
872         if (ai != AllocaLookup.end()) {
873           // what value were we writing?
874           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
875           BB->getInstList().erase(SI);
876         }
877       }
878     }
879   }
880
881   // Recurse to our successors.
882   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
883   for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++)
884     Worklist.push_back(RenamePassData(TI->getSuccessor(i), BB, IncomingVals));
885 }
886
887 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
888 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
889 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
890 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
891 ///
892 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
893 /// made to the IR.
894 ///
895 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
896                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
897                            AliasSetTracker *AST) {
898   // If there is nothing to do, bail out...
899   if (Allocas.empty()) return;
900
901   SmallVector<AllocaInst*, 16> RetryList;
902   PromoteMem2Reg(Allocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
903
904   // PromoteMem2Reg may not have been able to promote all of the allocas in one
905   // pass, run it again if needed.
906   std::vector<AllocaInst*> NewAllocas;
907   while (!RetryList.empty()) {
908     // If we need to retry some allocas, this is due to there being no store
909     // before a read in a local block.  To counteract this, insert a store of
910     // undef into the alloca right after the alloca itself.
911     for (unsigned i = 0, e = RetryList.size(); i != e; ++i) {
912       BasicBlock::iterator BBI = RetryList[i];
913
914       new StoreInst(UndefValue::get(RetryList[i]->getAllocatedType()),
915                     RetryList[i], ++BBI);
916     }
917
918     NewAllocas.assign(RetryList.begin(), RetryList.end());
919     RetryList.clear();
920     PromoteMem2Reg(NewAllocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
921     NewAllocas.clear();
922   }
923 }