include/llvm/Analysis/MemoryDependenceAnalysis.h

   1 //===- llvm/Analysis/MemoryDependenceAnalysis.h - Memory Deps  --*- C++ -*-===//
   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 defines the MemoryDependenceAnalysis analysis pass.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #ifndef LLVM_ANALYSIS_MEMORY_DEPENDENCE_H
  15 #define LLVM_ANALYSIS_MEMORY_DEPENDENCE_H
  16
  17 #include "llvm/BasicBlock.h"
  18 #include "llvm/Pass.h"
  19 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
  20 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  21 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  22 #include "llvm/ADT/OwningPtr.h"
  23 #include "llvm/ADT/PointerIntPair.h"
  24
  25 namespace llvm {
  26   class Function;
  27   class FunctionPass;
  28   class Instruction;
  29   class CallSite;
  30   class AliasAnalysis;
  31   class TargetData;
  32   class MemoryDependenceAnalysis;
  33   class PredIteratorCache;
  34   class DominatorTree;
  35   class PHITransAddr;
  36
  37   /// MemDepResult - A memory dependence query can return one of three different
  38   /// answers, described below.
  39   class MemDepResult {
  40     enum DepType {
  41       /// Invalid - Clients of MemDep never see this.
  42       Invalid = 0,
  43
  44       /// Clobber - This is a dependence on the specified instruction which
  45       /// clobbers the desired value.  The pointer member of the MemDepResult
  46       /// pair holds the instruction that clobbers the memory.  For example,
  47       /// this occurs when we see a may-aliased store to the memory location we
  48       /// care about.
  49       Clobber,
  50
  51       /// Def - This is a dependence on the specified instruction which
  52       /// defines/produces the desired memory location.  The pointer member of
  53       /// the MemDepResult pair holds the instruction that defines the memory.
  54       /// Cases of interest:
  55       ///   1. This could be a load or store for dependence queries on
  56       ///      load/store.  The value loaded or stored is the produced value.
  57       ///      Note that the pointer operand may be different than that of the
  58       ///      queried pointer due to must aliases and phi translation.  Note
  59       ///      that the def may not be the same type as the query, the pointers
  60       ///      may just be must aliases.
  61       ///   2. For loads and stores, this could be an allocation instruction. In
  62       ///      this case, the load is loading an undef value or a store is the
  63       ///      first store to (that part of) the allocation.
  64       ///   3. Dependence queries on calls return Def only when they are
  65       ///      readonly calls or memory use intrinsics with identical callees
  66       ///      and no intervening clobbers.  No validation is done that the
  67       ///      operands to the calls are the same.
  68       Def,
  69
  70       /// NonLocal - This marker indicates that the query has no dependency in
  71       /// the specified block.  To find out more, the client should query other
  72       /// predecessor blocks.
  73       NonLocal
  74     };
  75     typedef PointerIntPair<Instruction*, 2, DepType> PairTy;
  76     PairTy Value;
  77     explicit MemDepResult(PairTy V) : Value(V) {}
  78   public:
  79     MemDepResult() : Value(0, Invalid) {}
  80
  81     /// get methods: These are static ctor methods for creating various
  82     /// MemDepResult kinds.
  83     static MemDepResult getDef(Instruction *Inst) {
  84       return MemDepResult(PairTy(Inst, Def));
  85     }
  86     static MemDepResult getClobber(Instruction *Inst) {
  87       return MemDepResult(PairTy(Inst, Clobber));
  88     }
  89     static MemDepResult getNonLocal() {
  90       return MemDepResult(PairTy(0, NonLocal));
  91     }
  92
  93     /// isClobber - Return true if this MemDepResult represents a query that is
  94     /// a instruction clobber dependency.
  95     bool isClobber() const { return Value.getInt() == Clobber; }
  96
  97     /// isDef - Return true if this MemDepResult represents a query that is
  98     /// a instruction definition dependency.
  99     bool isDef() const { return Value.getInt() == Def; }
 100
 101     /// isNonLocal - Return true if this MemDepResult represents a query that
 102     /// is transparent to the start of the block, but where a non-local hasn't
 103     /// been done.
 104     bool isNonLocal() const { return Value.getInt() == NonLocal; }
 105
 106     /// getInst() - If this is a normal dependency, return the instruction that
 107     /// is depended on.  Otherwise, return null.
 108     Instruction *getInst() const { return Value.getPointer(); }
 109
 110     bool operator==(const MemDepResult &M) const { return Value == M.Value; }
 111     bool operator!=(const MemDepResult &M) const { return Value != M.Value; }
 112     bool operator<(const MemDepResult &M) const { return Value < M.Value; }
 113     bool operator>(const MemDepResult &M) const { return Value > M.Value; }
 114   private:
 115     friend class MemoryDependenceAnalysis;
 116     /// Dirty - Entries with this marker occur in a LocalDeps map or
 117     /// NonLocalDeps map when the instruction they previously referenced was
 118     /// removed from MemDep.  In either case, the entry may include an
 119     /// instruction pointer.  If so, the pointer is an instruction in the
 120     /// block where scanning can start from, saving some work.
 121     ///
 122     /// In a default-constructed MemDepResult object, the type will be Dirty
 123     /// and the instruction pointer will be null.
 124     ///
 125
 126     /// isDirty - Return true if this is a MemDepResult in its dirty/invalid.
 127     /// state.
 128     bool isDirty() const { return Value.getInt() == Invalid; }
 129
 130     static MemDepResult getDirty(Instruction *Inst) {
 131       return MemDepResult(PairTy(Inst, Invalid));
 132     }
 133   };
 134
 135   /// NonLocalDepResult - This is a result from a NonLocal dependence query.
 136   /// For each BasicBlock (the BB entry) it keeps a MemDepResult and the
 137   /// (potentially phi translated) address that was live in the block.
 138   class NonLocalDepResult {
 139     BasicBlock *BB;
 140     MemDepResult Result;
 141     Value *Address;
 142   public:
 143     NonLocalDepResult(BasicBlock *bb, MemDepResult result, Value *address)
 144       : BB(bb), Result(result), Address(address) {}
 145
 146     // BB is the sort key, it can't be changed.
 147     BasicBlock *getBB() const { return BB; }
 148
 149     void setResult(const MemDepResult &R, Value *Addr) {
 150       Result = R;
 151       Address = Addr;
 152     }
 153
 154     const MemDepResult &getResult() const { return Result; }
 155
 156     /// getAddress - Return the address of this pointer in this block.  This can
 157     /// be different than the address queried for the non-local result because
 158     /// of phi translation.  This returns null if the address was not available
 159     /// in a block (i.e. because phi translation failed) or if this is a cached
 160     /// result and that address was deleted.
 161     ///
 162     /// The address is always null for a non-local 'call' dependence.
 163     Value *getAddress() const { return Address; }
 164   };
 165
 166   /// NonLocalDepEntry - This is an entry in the NonLocalDepInfo cache.  For
 167   /// each BasicBlock (the BB entry) it keeps a MemDepResult.
 168   class NonLocalDepEntry {
 169     BasicBlock *BB;
 170     MemDepResult Result;
 171   public:
 172     NonLocalDepEntry(BasicBlock *bb, MemDepResult result)
 173       : BB(bb), Result(result) {}
 174
 175     // This is used for searches.
 176     NonLocalDepEntry(BasicBlock *bb) : BB(bb) {}
 177
 178     // BB is the sort key, it can't be changed.
 179     BasicBlock *getBB() const { return BB; }
 180
 181     void setResult(const MemDepResult &R) { Result = R; }
 182
 183     const MemDepResult &getResult() const { return Result; }
 184
 185     bool operator<(const NonLocalDepEntry &RHS) const {
 186       return BB < RHS.BB;
 187     }
 188   };
 189
 190   /// MemoryDependenceAnalysis - This is an analysis that determines, for a
 191   /// given memory operation, what preceding memory operations it depends on.
 192   /// It builds on alias analysis information, and tries to provide a lazy,
 193   /// caching interface to a common kind of alias information query.
 194   ///
 195   /// The dependency information returned is somewhat unusual, but is pragmatic.
 196   /// If queried about a store or call that might modify memory, the analysis
 197   /// will return the instruction[s] that may either load from that memory or
 198   /// store to it.  If queried with a load or call that can never modify memory,
 199   /// the analysis will return calls and stores that might modify the pointer,
 200   /// but generally does not return loads unless a) they are volatile, or
 201   /// b) they load from *must-aliased* pointers.  Returning a dependence on
 202   /// must-alias'd pointers instead of all pointers interacts well with the
 203   /// internal caching mechanism.
 204   ///
 205   class MemoryDependenceAnalysis : public FunctionPass {
 206     // A map from instructions to their dependency.
 207     typedef DenseMap<Instruction*, MemDepResult> LocalDepMapType;
 208     LocalDepMapType LocalDeps;
 209
 210   public:
 211     typedef std::vector<NonLocalDepEntry> NonLocalDepInfo;
 212   private:
 213     /// ValueIsLoadPair - This is a pair<Value*, bool> where the bool is true if
 214     /// the dependence is a read only dependence, false if read/write.
 215     typedef PointerIntPair<Value*, 1, bool> ValueIsLoadPair;
 216
 217     /// BBSkipFirstBlockPair - This pair is used when caching information for a
 218     /// block.  If the pointer is null, the cache value is not a full query that
 219     /// starts at the specified block.  If non-null, the bool indicates whether
 220     /// or not the contents of the block was skipped.
 221     typedef PointerIntPair<BasicBlock*, 1, bool> BBSkipFirstBlockPair;
 222
 223     /// CachedNonLocalPointerInfo - This map stores the cached results of doing
 224     /// a pointer lookup at the bottom of a block.  The key of this map is the
 225     /// pointer+isload bit, the value is a list of <bb->result> mappings.
 226     typedef DenseMap<ValueIsLoadPair, std::pair<BBSkipFirstBlockPair,
 227                   NonLocalDepInfo> > CachedNonLocalPointerInfo;
 228     CachedNonLocalPointerInfo NonLocalPointerDeps;
 229
 230     // A map from instructions to their non-local pointer dependencies.
 231     typedef DenseMap<Instruction*,
 232                      SmallPtrSet<ValueIsLoadPair, 4> > ReverseNonLocalPtrDepTy;
 233     ReverseNonLocalPtrDepTy ReverseNonLocalPtrDeps;
 234
 235
 236     /// PerInstNLInfo - This is the instruction we keep for each cached access
 237     /// that we have for an instruction.  The pointer is an owning pointer and
 238     /// the bool indicates whether we have any dirty bits in the set.
 239     typedef std::pair<NonLocalDepInfo, bool> PerInstNLInfo;
 240
 241     // A map from instructions to their non-local dependencies.
 242     typedef DenseMap<Instruction*, PerInstNLInfo> NonLocalDepMapType;
 243
 244     NonLocalDepMapType NonLocalDeps;
 245
 246     // A reverse mapping from dependencies to the dependees.  This is
 247     // used when removing instructions to keep the cache coherent.
 248     typedef DenseMap<Instruction*,
 249                      SmallPtrSet<Instruction*, 4> > ReverseDepMapType;
 250     ReverseDepMapType ReverseLocalDeps;
 251
 252     // A reverse mapping from dependencies to the non-local dependees.
 253     ReverseDepMapType ReverseNonLocalDeps;
 254
 255     /// Current AA implementation, just a cache.
 256     AliasAnalysis *AA;
 257     TargetData *TD;
 258     OwningPtr<PredIteratorCache> PredCache;
 259   public:
 260     MemoryDependenceAnalysis();
 261     ~MemoryDependenceAnalysis();
 262     static char ID;
 263
 264     /// Pass Implementation stuff.  This doesn't do any analysis eagerly.
 265     bool runOnFunction(Function &);
 266
 267     /// Clean up memory in between runs
 268     void releaseMemory();
 269
 270     /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering
 271     /// and Alias Analysis.
 272     ///
 273     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
 274
 275     /// getDependency - Return the instruction on which a memory operation
 276     /// depends.  See the class comment for more details.  It is illegal to call
 277     /// this on non-memory instructions.
 278     MemDepResult getDependency(Instruction *QueryInst);
 279
 280     /// getNonLocalCallDependency - Perform a full dependency query for the
 281     /// specified call, returning the set of blocks that the value is
 282     /// potentially live across.  The returned set of results will include a
 283     /// "NonLocal" result for all blocks where the value is live across.
 284     ///
 285     /// This method assumes the instruction returns a "NonLocal" dependency
 286     /// within its own block.
 287     ///
 288     /// This returns a reference to an internal data structure that may be
 289     /// invalidated on the next non-local query or when an instruction is
 290     /// removed.  Clients must copy this data if they want it around longer than
 291     /// that.
 292     const NonLocalDepInfo &getNonLocalCallDependency(CallSite QueryCS);
 293
 294
 295     /// getNonLocalPointerDependency - Perform a full dependency query for an
 296     /// access to the specified (non-volatile) memory location, returning the
 297     /// set of instructions that either define or clobber the value.
 298     ///
 299     /// This method assumes the pointer has a "NonLocal" dependency within BB.
 300     void getNonLocalPointerDependency(Value *Pointer, bool isLoad,
 301                                       BasicBlock *BB,
 302                                     SmallVectorImpl<NonLocalDepResult> &Result);
 303
 304     /// removeInstruction - Remove an instruction from the dependence analysis,
 305     /// updating the dependence of instructions that previously depended on it.
 306     void removeInstruction(Instruction *InstToRemove);
 307
 308     /// invalidateCachedPointerInfo - This method is used to invalidate cached
 309     /// information about the specified pointer, because it may be too
 310     /// conservative in memdep.  This is an optional call that can be used when
 311     /// the client detects an equivalence between the pointer and some other
 312     /// value and replaces the other value with ptr. This can make Ptr available
 313     /// in more places that cached info does not necessarily keep.
 314     void invalidateCachedPointerInfo(Value *Ptr);
 315
 316     /// invalidateCachedPredecessors - Clear the PredIteratorCache info.
 317     /// This needs to be done when the CFG changes, e.g., due to splitting
 318     /// critical edges.
 319     void invalidateCachedPredecessors();
 320
 321   private:
 322     MemDepResult getPointerDependencyFrom(Value *Pointer, uint64_t MemSize,
 323                                           bool isLoad,
 324                                           BasicBlock::iterator ScanIt,
 325                                           BasicBlock *BB);
 326     MemDepResult getCallSiteDependencyFrom(CallSite C, bool isReadOnlyCall,
 327                                            BasicBlock::iterator ScanIt,
 328                                            BasicBlock *BB);
 329     bool getNonLocalPointerDepFromBB(const PHITransAddr &Pointer, uint64_t Size,
 330                                      bool isLoad, BasicBlock *BB,
 331                                      SmallVectorImpl<NonLocalDepResult> &Result,
 332                                      DenseMap<BasicBlock*, Value*> &Visited,
 333                                      bool SkipFirstBlock = false);
 334     MemDepResult GetNonLocalInfoForBlock(Value *Pointer, uint64_t PointeeSize,
 335                                          bool isLoad, BasicBlock *BB,
 336                                          NonLocalDepInfo *Cache,
 337                                          unsigned NumSortedEntries);
 338
 339     void RemoveCachedNonLocalPointerDependencies(ValueIsLoadPair P);
 340
 341     /// verifyRemoved - Verify that the specified instruction does not occur
 342     /// in our internal data structures.
 343     void verifyRemoved(Instruction *Inst) const;
 344
 345   };
 346
 347 } // End llvm namespace
 348
 349 #endif