split rewriting of single-store allocas into its own
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
index 5fcab9703523eaf55de06a20263ecf269bd52301..6be25d6dfe215c390b374b8a7c80558eb2f2396a 100644 (file)
-//===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert memory refs to regs ----------===//
+//===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
 //
-// This pass is used to promote memory references to be register references.  A
-// simple example of the transformation performed by this pass is:
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
 //
-//        FROM CODE                           TO CODE
-//   %X = alloca int, uint 1                 ret int 42
-//   store int 42, int *%X
-//   %Y = load int* %X
-//   ret int %Y
+// This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
+// the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
 //
-// To do this transformation, a simple analysis is done to ensure it is safe.
-// Currently this just loops over all alloca instructions, looking for
-// instructions that are only used in simple load and stores.
+//===----------------------------------------------------------------------===//
 //
-// After this, the code is transformed by...something magical :)
+// This file promote memory references to be register references.  It promotes
+// alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
+// transformed by using dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
+// the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
+// This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
+// SSA form.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#include "llvm/Transforms/Scalar.h"
-#include "llvm/Analysis/Dominators.h"
-#include "llvm/iMemory.h"
-#include "llvm/iPHINode.h"
-#include "llvm/iTerminators.h"
+#define DEBUG_TYPE "mem2reg"
+#include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
+#include "llvm/Constants.h"
+#include "llvm/DerivedTypes.h"
 #include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/BasicBlock.h"
-#include "llvm/Constant.h"
-#include "llvm/Type.h"
-#include "Support/StatisticReporter.h"
+#include "llvm/Instructions.h"
+#include "llvm/Analysis/Dominators.h"
+#include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/ADT/StringExtras.h"
+#include "llvm/Support/CFG.h"
+#include "llvm/Support/Compiler.h"
+#include <algorithm>
+using namespace llvm;
+
+STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
+STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
+STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
+
+// Provide DenseMapKeyInfo for all pointers.
+namespace llvm {
+template<>
+struct DenseMapKeyInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
+  static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getEmptyKey() {
+    return std::make_pair((BasicBlock*)-1, ~0U);
+  }
+  static inline std::pair<BasicBlock*, unsigned> getTombstoneKey() {
+    return std::make_pair((BasicBlock*)-2, 0U);
+  }
+  static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
+    return DenseMapKeyInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
+  }
+  static bool isPod() { return true; }
+};
+}
+
+/// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
+/// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
+///
+bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
+  // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
+  // assignments to subsections of the memory unit.
 
-static Statistic<> NumPromoted("mem2reg\t\t- Number of alloca's promoted");
+  // Only allow direct loads and stores...
+  for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
+       UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
+    if (isa<LoadInst>(*UI)) {
+      // noop
+    } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
+      if (SI->getOperand(0) == AI)
+        return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
+    } else {
+      return false;   // Not a load or store.
+    }
 
-using std::vector;
-using std::map;
-using std::set;
+  return true;
+}
 
 namespace {
-  struct PromotePass : public FunctionPass {
-    vector<AllocaInst*>          Allocas;      // the alloca instruction..
-    map<Instruction*, unsigned>  AllocaLookup; // reverse mapping of above
+  struct AllocaInfo;
+
+  // Data package used by RenamePass()
+  class VISIBILITY_HIDDEN RenamePassData {
+  public:
+    typedef std::vector<Value *> ValVector;
+    
+    RenamePassData() {}
+    RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
+                   const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
+    BasicBlock *BB;
+    BasicBlock *Pred;
+    ValVector Values;
     
-    vector<vector<BasicBlock*> > PhiNodes;     // index corresponds to Allocas
+    void swap(RenamePassData &RHS) {
+      std::swap(BB, RHS.BB);
+      std::swap(Pred, RHS.Pred);
+      Values.swap(RHS.Values);
+    }
+  };
+
+  struct VISIBILITY_HIDDEN PromoteMem2Reg {
+    /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
+    ///
+    std::vector<AllocaInst*> Allocas;
+    SmallVector<AllocaInst*, 16> &RetryList;
+    DominatorTree &DT;
+    DominanceFrontier &DF;
+
+    /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
+    ///
+    AliasSetTracker *AST;
+
+    /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
+    ///
+    std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
+
+    /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
+    ///
+    DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
     
-    // List of instructions to remove at end of pass
-    vector<Instruction *>        KillList;
+    /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
+    /// it corresponds to.
+    DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
     
-    map<BasicBlock*,vector<PHINode*> > NewPhiNodes; // the PhiNodes we're adding
+    /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
+    /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
+    /// to the inserted PHI nodes here.
+    ///
+    std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
 
-  public:
-    // runOnFunction - To run this pass, first we calculate the alloca
-    // instructions that are safe for promotion, then we promote each one.
-    //
-    virtual bool runOnFunction(Function &F);
+    /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
+    ///
+    SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
 
-    // getAnalysisUsage - We need dominance frontiers
-    //
-    virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-      AU.addRequired<DominanceFrontier>();
-      AU.preservesCFG();
+    /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
+    /// non-determinstic behavior.
+    DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
+
+  public:
+    PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A,
+                   SmallVector<AllocaInst*, 16> &Retry, DominatorTree &dt,
+                   DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
+      : Allocas(A), RetryList(Retry), DT(dt), DF(df), AST(ast) {}
+
+    void run();
+
+    /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
+    ///
+    bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
+      if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
+        I1 = II->getNormalDest()->begin();
+      return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
+    }
+    
+    /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
+    ///
+    bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
+      return DT.dominates(BB1, BB2);
     }
 
   private:
-    void Traverse(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred, vector<Value*> &IncVals,
-                  set<BasicBlock*> &Visited);
-    bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx);
-    void FindSafeAllocas(Function &F);
+    void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
+      Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
+      Allocas.pop_back();
+      --AllocaIdx;
+    }
+    
+    void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info);
+
+    void MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
+                               SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes);
+    bool PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI);
+    void PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB,
+                                   const std::vector<AllocaInst*> &AIs);
+
+    void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
+                    RenamePassData::ValVector &IncVals,
+                    std::vector<RenamePassData> &Worklist);
+    bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
+                      SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
+  };
+  
+  struct AllocaInfo {
+    std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
+    std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
+    
+    StoreInst  *OnlyStore;
+    BasicBlock *OnlyBlock;
+    bool OnlyUsedInOneBlock;
+    
+    Value *AllocaPointerVal;
+    
+    void clear() {
+      DefiningBlocks.clear();
+      UsingBlocks.clear();
+      OnlyStore = 0;
+      OnlyBlock = 0;
+      OnlyUsedInOneBlock = true;
+      AllocaPointerVal = 0;
+    }
+    
+    /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
+    /// ivars.
+    void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
+      clear();
+      
+      // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
+      // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
+      // the same basic block.
+      for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
+           U != E; ++U){
+        Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
+        if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
+          // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
+          DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
+          AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
+          OnlyStore = SI;
+        } else {
+          LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
+          // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable reads
+          UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
+          AllocaPointerVal = LI;
+        }
+        
+        if (OnlyUsedInOneBlock) {
+          if (OnlyBlock == 0)
+            OnlyBlock = User->getParent();
+          else if (OnlyBlock != User->getParent())
+            OnlyUsedInOneBlock = false;
+        }
+      }
+    }
   };
 
-  RegisterOpt<PromotePass> X("mem2reg", "Promote Memory to Register");
 }  // end of anonymous namespace
 
 
-// isSafeAlloca - This predicate controls what types of alloca instructions are
-// allowed to be promoted...
-//
-static inline bool isSafeAlloca(const AllocaInst *AI) {
-  if (AI->isArrayAllocation()) return false;
+void PromoteMem2Reg::run() {
+  Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
 
-  // Only allow direct loads and stores...
-  for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
-       UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
-    if (!isa<LoadInst>(*UI) && !isa<StoreInst>(*UI))
-      return false;   // Not a load or store?
-  
-  return true;
-}
+  // LocallyUsedAllocas - Keep track of all of the alloca instructions which are
+  // only used in a single basic block.  These instructions can be efficiently
+  // promoted by performing a single linear scan over that one block.  Since
+  // individual basic blocks are sometimes large, we group together all allocas
+  // that are live in a single basic block by the basic block they are live in.
+  std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> > LocallyUsedAllocas;
 
-// FindSafeAllocas - Find allocas that are safe to promote
-//
-void PromotePass::FindSafeAllocas(Function &F) {
-  BasicBlock &BB = F.getEntryNode();  // Get the entry node for the function
-
-  // Look at all instructions in the entry node
-  for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
-    if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&*I))       // Is it an alloca?
-      if (isSafeAlloca(AI)) {   // If safe alloca, add alloca to safe list
-        AllocaLookup[AI] = Allocas.size();  // Keep reverse mapping
-        Allocas.push_back(AI);
-      }
-}
+  if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
 
+  AllocaInfo Info;
 
+  for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
+    AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
 
-bool PromotePass::runOnFunction(Function &F) {
-  // Calculate the set of safe allocas
-  FindSafeAllocas(F);
+    assert(isAllocaPromotable(AI) &&
+           "Cannot promote non-promotable alloca!");
+    assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
+           "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
 
-  // If there is nothing to do, bail out...
-  if (Allocas.empty()) return false;
-
-  // Add each alloca to the KillList.  Note: KillList is destroyed MOST recently
-  // added to least recently.
-  KillList.assign(Allocas.begin(), Allocas.end());
-
-  // Calculate the set of write-locations for each alloca.  This is analogous to
-  // counting the number of 'redefinitions' of each variable.
-  vector<vector<BasicBlock*> > WriteSets;    // index corresponds to Allocas
-  WriteSets.resize(Allocas.size());
-  for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
-    AllocaInst *AI = Allocas[i];
-    for (Value::use_iterator U =AI->use_begin(), E = AI->use_end(); U != E; ++U)
-      if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*U))
-        // jot down the basic-block it came from
-        WriteSets[i].push_back(SI->getParent());
-  }
+    if (AI->use_empty()) {
+      // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
+      if (AST) AST->deleteValue(AI);
+      AI->eraseFromParent();
 
-  // Get dominance frontier information...
-  DominanceFrontier &DF = getAnalysis<DominanceFrontier>();
+      // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
+      RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
+      ++NumDeadAlloca;
+      continue;
+    }
+    
+    // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
+    // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
+    Info.AnalyzeAlloca(AI);
+
+    // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
+    // linear sweep over the block to eliminate it.
+    if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
+      LocallyUsedAllocas[Info.OnlyBlock].push_back(AI);
+
+      // Remove the alloca from the Allocas list, since it will be processed.
+      RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
+      continue;
+    }
 
-  // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
-  // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in
-  //
-  PhiNodes.resize(Allocas.size());
-  for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
-    for (unsigned j = 0; j != WriteSets[i].size(); j++) {
-      // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
-      DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(WriteSets[i][j]);
-      DominanceFrontier::DomSetType     S = it->second;
-      for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(), PE = S.end();
-           P != PE; ++P)
-        QueuePhiNode(*P, i);
+    // If there is only a single store to this value, replace any loads of
+    // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
+    if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
+      RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info);
+
+      // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
+      if (Info.UsingBlocks.empty()) {
+        ++NumSingleStore;
+        // The alloca has been processed, move on.
+        RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
+        continue;
+      }
     }
     
-    // Perform iterative step
-    for (unsigned k = 0; k != PhiNodes[i].size(); k++) {
-      DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(PhiNodes[i][k]);
-      DominanceFrontier::DomSetType     S = it->second;
-      for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(), PE = S.end();
-           P != PE; ++P)
-        QueuePhiNode(*P, i);
+    
+    if (AST)
+      PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
+
+    // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
+    // now.
+    if (BBNumbers.empty()) {
+      unsigned ID = 0;
+      for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
+        BBNumbers[I] = ID++;
+    }
+
+    // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
+    // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
+    //
+    unsigned CurrentVersion = 0;
+    SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
+    std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
+    while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
+      BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
+      Info.DefiningBlocks.pop_back();
+
+      // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
+      DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
+      if (it != DF.end()) {
+        const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
+
+        // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
+        // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
+        // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
+        // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
+        // processing blocks in order of the occurance in the function.
+        for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
+             PE = S.end(); P != PE; ++P)
+          DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
+
+        // Sort by which the block ordering in the function.
+        std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
+
+        for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
+          BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
+          if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
+            Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
+        }
+        DFBlocks.clear();
+      }
     }
+
+    // Now that we have inserted PHI nodes along the Iterated Dominance Frontier
+    // of the writes to the variable, scan through the reads of the variable,
+    // marking PHI nodes which are actually necessary as alive (by removing them
+    // from the InsertedPHINodes set).  This is not perfect: there may PHI
+    // marked alive because of loads which are dominated by stores, but there
+    // will be no unmarked PHI nodes which are actually used.
+    //
+    for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i)
+      MarkDominatingPHILive(Info.UsingBlocks[i], AllocaNum, InsertedPHINodes);
+    Info.UsingBlocks.clear();
+
+    // If there are any PHI nodes which are now known to be dead, remove them!
+    for (SmallPtrSet<PHINode*, 16>::iterator I = InsertedPHINodes.begin(),
+           E = InsertedPHINodes.end(); I != E; ++I) {
+      PHINode *PN = *I;
+      bool Erased=NewPhiNodes.erase(std::make_pair(PN->getParent(), AllocaNum));
+      Erased=Erased;
+      assert(Erased && "PHI already removed?");
+      
+      if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
+        AST->deleteValue(PN);
+      PN->eraseFromParent();
+      PhiToAllocaMap.erase(PN);
+    }
+
+    // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array.
+    AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
   }
 
+  // Process all allocas which are only used in a single basic block.
+  for (std::map<BasicBlock*, std::vector<AllocaInst*> >::iterator I =
+         LocallyUsedAllocas.begin(), E = LocallyUsedAllocas.end(); I != E; ++I){
+    const std::vector<AllocaInst*> &LocAllocas = I->second;
+    assert(!LocAllocas.empty() && "empty alloca list??");
+
+    // It's common for there to only be one alloca in the list.  Handle it
+    // efficiently.
+    if (LocAllocas.size() == 1) {
+      // If we can do the quick promotion pass, do so now.
+      if (PromoteLocallyUsedAlloca(I->first, LocAllocas[0]))
+        RetryList.push_back(LocAllocas[0]);  // Failed, retry later.
+    } else {
+      // Locally promote anything possible.  Note that if this is unable to
+      // promote a particular alloca, it puts the alloca onto the Allocas vector
+      // for global processing.
+      PromoteLocallyUsedAllocas(I->first, LocAllocas);
+    }
+  }
+
+  if (Allocas.empty())
+    return; // All of the allocas must have been trivial!
+
   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
   //
-  vector<Value *> Values(Allocas.size());
+  RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
-    Values[i] = Constant::getNullValue(Allocas[i]->getAllocatedType());
+    Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
 
   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
   //
-  set<BasicBlock*> Visited;         // The basic blocks we've already visited
-  Traverse(F.begin(), 0, Values, Visited);
+  std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
+  RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
+  while (!RenamePassWorkList.empty()) {
+    RenamePassData RPD;
+    RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
+    RenamePassWorkList.pop_back();
+    // RenamePass may add new worklist entries.
+    RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
+  }
+  
+  // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
+  Visited.clear();
 
-  // Remove all instructions marked by being placed in the KillList...
-  //
-  while (!KillList.empty()) {
-    Instruction *I = KillList.back();
-    KillList.pop_back();
+  // Remove the allocas themselves from the function.
+  for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
+    Instruction *A = Allocas[i];
 
-    I->getParent()->getInstList().erase(I);
+    // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
+    // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
+    // Just delete the users now.
+    //
+    if (!A->use_empty())
+      A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
+    if (AST) AST->deleteValue(A);
+    A->eraseFromParent();
   }
 
-  NumPromoted += Allocas.size();
+  
+  // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
+  // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
+  // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
+  // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
+  bool EliminatedAPHI = true;
+  while (EliminatedAPHI) {
+    EliminatedAPHI = false;
+    
+    for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
+           NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
+      PHINode *PN = I->second;
+      
+      // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
+      if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
+        if (!isa<Instruction>(V) ||
+            properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
+          if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
+            AST->deleteValue(PN);
+          PN->replaceAllUsesWith(V);
+          PN->eraseFromParent();
+          NewPhiNodes.erase(I++);
+          EliminatedAPHI = true;
+          continue;
+        }
+      }
+      ++I;
+    }
+  }
+  
+  // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
+  // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
+  // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
+  // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
+  // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
+  //
+  for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
+         NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
+    // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
+    // when we find the PHI that is the first entry in the block.
+    PHINode *SomePHI = I->second;
+    BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
+    if (&BB->front() != SomePHI)
+      continue;
+
+    // Count the number of preds for BB.
+    SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
+
+    // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
+    // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
+    // number of incoming values, so we can just check any of them.
+    if (SomePHI->getNumIncomingValues() == Preds.size())
+      continue;
+    
+    // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
+    // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
+    // access.
+    std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
+    
+    // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
+    // them from the Preds list.
+    for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
+      // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
+      SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
+        std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
+                         SomePHI->getIncomingBlock(i));
+      assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
+             "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
+
+      // Remove the entry
+      Preds.erase(EntIt);
+    }
 
-  // Purge data structurse so they are available the next iteration...
-  Allocas.clear();
-  AllocaLookup.clear();
-  PhiNodes.clear();
+    // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
+    // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
+    // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
+    // mem2reg runs).
+    unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
+    BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
+    while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
+           SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
+      Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
+      for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
+        SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
+    }
+  }
+        
   NewPhiNodes.clear();
-  return true;
 }
 
 
+/// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
+/// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
+/// the value stored.
+void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
+                                              AllocaInfo &Info) {
+  // Be aware of loads before the store.
+  std::set<BasicBlock*> ProcessedBlocks;
+  for (unsigned i = 0, e = Info.UsingBlocks.size(); i != e; ++i) {
+    // If the store dominates the block and if we haven't processed it yet,
+    // do so now.
+    if (!dominates(Info.OnlyStore->getParent(), Info.UsingBlocks[i]))
+      continue;
+    
+    if (!ProcessedBlocks.insert(Info.UsingBlocks[i]).second)
+      continue;
+    
+    BasicBlock *UseBlock = Info.UsingBlocks[i];
+    
+    // If the use and store are in the same block, do a quick scan to
+    // verify that there are no uses before the store.
+    if (UseBlock == Info.OnlyStore->getParent()) {
+      BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin();
+      for (; &*I != Info.OnlyStore; ++I) { // scan block for store.
+        if (isa<LoadInst>(I) && I->getOperand(0) == AI)
+          break;
+      }
+      if (&*I != Info.OnlyStore) break;  // Do not handle this case.
+    }
+    
+    // Otherwise, if this is a different block or if all uses happen
+    // after the store, do a simple linear scan to replace loads with
+    // the stored value.
+    for (BasicBlock::iterator I = UseBlock->begin(),E = UseBlock->end();
+         I != E; ) {
+      if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I++)) {
+        if (LI->getOperand(0) == AI) {
+          LI->replaceAllUsesWith(Info.OnlyStore->getOperand(0));
+          if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
+            AST->deleteValue(LI);
+          LI->eraseFromParent();
+        }
+      }
+    }
+    
+    // Finally, remove this block from the UsingBlock set.
+    Info.UsingBlocks[i] = Info.UsingBlocks.back();
+    --i; --e;
+  }
+}
+
+
+// MarkDominatingPHILive - Mem2Reg wants to construct "pruned" SSA form, not
+// "minimal" SSA form.  To do this, it inserts all of the PHI nodes on the IDF
+// as usual (inserting the PHI nodes in the DeadPHINodes set), then processes
+// each read of the variable.  For each block that reads the variable, this
+// function is called, which removes used PHI nodes from the DeadPHINodes set.
+// After all of the reads have been processed, any PHI nodes left in the
+// DeadPHINodes set are removed.
+//
+void PromoteMem2Reg::MarkDominatingPHILive(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNum,
+                                      SmallPtrSet<PHINode*, 16> &DeadPHINodes) {
+  // Scan the immediate dominators of this block looking for a block which has a
+  // PHI node for Alloca num.  If we find it, mark the PHI node as being alive!
+  DomTreeNode *IDomNode = DT.getNode(BB);
+  for (DomTreeNode *IDom = IDomNode; IDom; IDom = IDom->getIDom()) {
+    BasicBlock *DomBB = IDom->getBlock();
+    DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator
+      I = NewPhiNodes.find(std::make_pair(DomBB, AllocaNum));
+    if (I != NewPhiNodes.end()) {
+      // Ok, we found an inserted PHI node which dominates this value.
+      PHINode *DominatingPHI = I->second;
+
+      // Find out if we previously thought it was dead.  If so, mark it as being
+      // live by removing it from the DeadPHINodes set.
+      if (DeadPHINodes.erase(DominatingPHI)) {
+        // Now that we have marked the PHI node alive, also mark any PHI nodes
+        // which it might use as being alive as well.
+        for (pred_iterator PI = pred_begin(DomBB), PE = pred_end(DomBB);
+             PI != PE; ++PI)
+          MarkDominatingPHILive(*PI, AllocaNum, DeadPHINodes);
+      }
+    }
+  }
+}
+
+/// PromoteLocallyUsedAlloca - Many allocas are only used within a single basic
+/// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
+/// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
+/// the basic block using the Alloca.
+///
+/// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
+/// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
+/// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
+/// this is potentially correct:
+///
+///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
+///
+/// ... so long as A is not used before undef is set.
+///
+bool PromoteMem2Reg::PromoteLocallyUsedAlloca(BasicBlock *BB, AllocaInst *AI) {
+  assert(!AI->use_empty() && "There are no uses of the alloca!");
+
+  // Handle degenerate cases quickly.
+  if (AI->hasOneUse()) {
+    Instruction *U = cast<Instruction>(AI->use_back());
+    if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
+      // Must be a load of uninitialized value.
+      LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(AI->getAllocatedType()));
+      if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
+        AST->deleteValue(LI);
+    } else {
+      // Otherwise it must be a store which is never read.
+      assert(isa<StoreInst>(U));
+    }
+    BB->getInstList().erase(U);
+  } else {
+    // Uses of the uninitialized memory location shall get undef.
+    Value *CurVal = 0;
+
+    for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
+      Instruction *Inst = I++;
+      if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
+        if (LI->getOperand(0) == AI) {
+          if (!CurVal) return true;  // Could not locally promote!
+
+          // Loads just returns the "current value"...
+          LI->replaceAllUsesWith(CurVal);
+          if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
+            AST->deleteValue(LI);
+          BB->getInstList().erase(LI);
+        }
+      } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
+        if (SI->getOperand(1) == AI) {
+          // Store updates the "current value"...
+          CurVal = SI->getOperand(0);
+          BB->getInstList().erase(SI);
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  // After traversing the basic block, there should be no more uses of the
+  // alloca, remove it now.
+  assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
+  if (AST) AST->deleteValue(AI);
+  AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
+  
+  ++NumLocalPromoted;
+  return false;
+}
+
+/// PromoteLocallyUsedAllocas - This method is just like
+/// PromoteLocallyUsedAlloca, except that it processes multiple alloca
+/// instructions in parallel.  This is important in cases where we have large
+/// basic blocks, as we don't want to rescan the entire basic block for each
+/// alloca which is locally used in it (which might be a lot).
+void PromoteMem2Reg::
+PromoteLocallyUsedAllocas(BasicBlock *BB, const std::vector<AllocaInst*> &AIs) {
+  std::map<AllocaInst*, Value*> CurValues;
+  for (unsigned i = 0, e = AIs.size(); i != e; ++i)
+    CurValues[AIs[i]] = 0; // Insert with null value
+
+  for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
+    Instruction *Inst = I++;
+    if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
+      // Is this a load of an alloca we are tracking?
+      if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getOperand(0))) {
+        std::map<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
+        if (AIt != CurValues.end()) {
+          // If loading an uninitialized value, allow the inter-block case to
+          // handle it.  Due to control flow, this might actually be ok.
+          if (AIt->second == 0) {  // Use of locally uninitialized value??
+            RetryList.push_back(AI);   // Retry elsewhere.
+            CurValues.erase(AIt);   // Stop tracking this here.
+            if (CurValues.empty()) return;
+          } else {
+            // Loads just returns the "current value"...
+            LI->replaceAllUsesWith(AIt->second);
+            if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
+              AST->deleteValue(LI);
+            BB->getInstList().erase(LI);
+          }
+        }
+      }
+    } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
+      if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getOperand(1))) {
+        std::map<AllocaInst*, Value*>::iterator AIt = CurValues.find(AI);
+        if (AIt != CurValues.end()) {
+          // Store updates the "current value"...
+          AIt->second = SI->getOperand(0);
+          BB->getInstList().erase(SI);
+        }
+      }
+    }
+  }
+}
+
+
+
 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
 //
-bool PromotePass::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo) {
-  // Look up the basic-block in question
-  vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
-  if (BBPNs.empty()) BBPNs.resize(Allocas.size());
+bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
+                                  unsigned &Version,
+                                  SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
+  // Look up the basic-block in question.
+  PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
 
   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
-  if (BBPNs[AllocaNo]) return false;
-
-  // Create a PhiNode using the dereferenced type...
-  PHINode *PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
-                            Allocas[AllocaNo]->getName()+".mem2reg");
-  BBPNs[AllocaNo] = PN;
+  if (PN) return false;
+
+  // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
+  // BasicBlock.
+  PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
+                   Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
+                   utostr(Version++), BB->begin());
+  PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
+  
+  InsertedPHINodes.insert(PN);
 
-  // Add the phi-node to the basic-block
-  BB->getInstList().push_front(PN);
+  if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
+    AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
 
-  PhiNodes[AllocaNo].push_back(BB);
   return true;
 }
 
-void PromotePass::Traverse(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
-                           vector<Value*> &IncomingVals,
-                           set<BasicBlock*> &Visited) {
-  // If this is a BB needing a phi node, lookup/create the phinode for each
-  // variable we need phinodes for.
-  vector<PHINode *> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
-  for (unsigned k = 0; k != BBPNs.size(); ++k)
-    if (PHINode *PN = BBPNs[k]) {
-      // at this point we can assume that the array has phi nodes.. let's add
-      // the incoming data
-      PN->addIncoming(IncomingVals[k], Pred);
-
-      // also note that the active variable IS designated by the phi node
-      IncomingVals[k] = PN;
-    }
 
-  // don't revisit nodes
-  if (Visited.count(BB)) return;
+// RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
+// stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
+// value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
+//
+void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
+                                RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
+                                std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
+  // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
+  // block.
+  if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
+    // Pred may have multiple edges to BB.  If so, we want to add N incoming
+    // values to each PHI we are inserting on the first time we see the edge.
+    // Check to see if APN already has incoming values from Pred.  This also
+    // prevents us from modifying PHI nodes that are not currently being
+    // inserted.
+    bool HasPredEntries = false;
+    for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
+      if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
+        HasPredEntries = true;
+        break;
+      }
+    }
+    
+    // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
+    // BB.
+    if (!HasPredEntries) {
+      TerminatorInst *PredTerm = Pred->getTerminator();
+      unsigned NumEdges = 0;
+      for (unsigned i = 0, e = PredTerm->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
+        if (PredTerm->getSuccessor(i) == BB)
+          ++NumEdges;
+      }
+      assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
+      
+      // Add entries for all the phis.
+      BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
+      do {
+        unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
+        
+        // Add N incoming values to the PHI node.
+        for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
+          APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
+        
+        // The currently active variable for this block is now the PHI.
+        IncomingVals[AllocaNo] = APN;
+        
+        // Get the next phi node.
+        ++PNI;
+        APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
+        if (APN == 0) break;
+        
+        // Verify it doesn't already have entries for Pred.  If it does, it is
+        // not being inserted by this mem2reg invocation.
+        HasPredEntries = false;
+        for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
+          if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
+            HasPredEntries = true;
+            break;
+          }
+        }
+      } while (!HasPredEntries);
+    }
+  }
   
-  // mark as visited
-  Visited.insert(BB);
+  // Don't revisit blocks.
+  if (!Visited.insert(BB)) return;
 
-  // keep track of the value of each variable we're watching.. how?
-  for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); II != BB->end(); ++II) {
-    Instruction *I = II; // get the instruction
+  for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
+    Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
 
     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
-      Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
-
-      if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(Ptr)) {
-        map<Instruction*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
+      if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand())) {
+        std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
         if (AI != AllocaLookup.end()) {
           Value *V = IncomingVals[AI->second];
 
           // walk the use list of this load and replace all uses with r
           LI->replaceAllUsesWith(V);
-          KillList.push_back(LI); // Mark the load to be deleted
+          if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
+            AST->deleteValue(LI);
+          BB->getInstList().erase(LI);
         }
       }
     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
-      // delete this instruction and mark the name as the current holder of the
+      // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
       // value
-      Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
-      if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(Ptr)) {
-        map<Instruction *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
+      if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand())) {
+        std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
         if (ai != AllocaLookup.end()) {
           // what value were we writing?
           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
-          KillList.push_back(SI);  // Mark the store to be deleted
+          BB->getInstList().erase(SI);
         }
       }
-      
-    } else if (TerminatorInst *TI = dyn_cast<TerminatorInst>(I)) {
-      // Recurse across our successors
-      for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++) {
-        vector<Value*> OutgoingVals(IncomingVals);
-        Traverse(TI->getSuccessor(i), BB, OutgoingVals, Visited);
-      }
     }
   }
+
+  // Recurse to our successors.
+  TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
+  for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++)
+    Worklist.push_back(RenamePassData(TI->getSuccessor(i), BB, IncomingVals));
 }
 
+/// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
+/// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
+/// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
+/// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
+///
+/// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
+/// made to the IR.
+///
+void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
+                           DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
+                           AliasSetTracker *AST) {
+  // If there is nothing to do, bail out...
+  if (Allocas.empty()) return;
+
+  SmallVector<AllocaInst*, 16> RetryList;
+  PromoteMem2Reg(Allocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
+
+  // PromoteMem2Reg may not have been able to promote all of the allocas in one
+  // pass, run it again if needed.
+  std::vector<AllocaInst*> NewAllocas;
+  while (!RetryList.empty()) {
+    // If we need to retry some allocas, this is due to there being no store
+    // before a read in a local block.  To counteract this, insert a store of
+    // undef into the alloca right after the alloca itself.
+    for (unsigned i = 0, e = RetryList.size(); i != e; ++i) {
+      BasicBlock::iterator BBI = RetryList[i];
+
+      new StoreInst(UndefValue::get(RetryList[i]->getAllocatedType()),
+                    RetryList[i], ++BBI);
+    }
 
-// createPromoteMemoryToRegister - Provide an entry point to create this pass.
-//
-Pass *createPromoteMemoryToRegister() {
-  return new PromotePass();
+    NewAllocas.assign(RetryList.begin(), RetryList.end());
+    RetryList.clear();
+    PromoteMem2Reg(NewAllocas, RetryList, DT, DF, AST).run();
+    NewAllocas.clear();
+  }
 }