lib/Analysis/DemandedBits.cpp

   1 //===---- DemandedBits.cpp - Determine demanded bits ----------------------===//
   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 pass implements a demanded bits analysis. A demanded bit is one that
  11 // contributes to a result; bits that are not demanded can be either zero or
  12 // one without affecting control or data flow. For example in this sequence:
  13 //
  14 //   %1 = add i32 %x, %y
  15 //   %2 = trunc i32 %1 to i16
  16 //
  17 // Only the lowest 16 bits of %1 are demanded; the rest are removed by the
  18 // trunc.
  19 //
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 #include "llvm/Analysis/DemandedBits.h"
  23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  25 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
  26 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  27 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  28 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
  29 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
  30 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  31 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
  32 #include "llvm/IR/CFG.h"
  33 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  34 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  35 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
  36 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  37 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  38 #include "llvm/IR/Module.h"
  39 #include "llvm/IR/Operator.h"
  40 #include "llvm/Pass.h"
  41 #include "llvm/Support/Debug.h"
  42 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  43 using namespace llvm;
  44
  45 #define DEBUG_TYPE "demanded-bits"
  46
  47 char DemandedBits::ID = 0;
  48 INITIALIZE_PASS_BEGIN(DemandedBits, "demanded-bits", "Demanded bits analysis",
  49                       false, false)
  50 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
  51 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
  52 INITIALIZE_PASS_END(DemandedBits, "demanded-bits", "Demanded bits analysis",
  53                     false, false)
  54
  55 DemandedBits::DemandedBits() : FunctionPass(ID), F(nullptr), Analyzed(false) {
  56   initializeDemandedBitsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  57 }
  58
  59 void DemandedBits::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  60   AU.setPreservesCFG();
  61   AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
  62   AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
  63   AU.setPreservesAll();
  64 }
  65
  66 static bool isAlwaysLive(Instruction *I) {
  67   return isa<TerminatorInst>(I) || isa<DbgInfoIntrinsic>(I) ||
  68       I->isEHPad() || I->mayHaveSideEffects();
  69 }
  70
  71 void DemandedBits::determineLiveOperandBits(
  72     const Instruction *UserI, const Instruction *I, unsigned OperandNo,
  73     const APInt &AOut, APInt &AB, APInt &KnownZero, APInt &KnownOne,
  74     APInt &KnownZero2, APInt &KnownOne2) {
  75   unsigned BitWidth = AB.getBitWidth();
  76
  77   // We're called once per operand, but for some instructions, we need to
  78   // compute known bits of both operands in order to determine the live bits of
  79   // either (when both operands are instructions themselves). We don't,
  80   // however, want to do this twice, so we cache the result in APInts that live
  81   // in the caller. For the two-relevant-operands case, both operand values are
  82   // provided here.
  83   auto ComputeKnownBits =
  84       [&](unsigned BitWidth, const Value *V1, const Value *V2) {
  85         const DataLayout &DL = I->getModule()->getDataLayout();
  86         KnownZero = APInt(BitWidth, 0);
  87         KnownOne = APInt(BitWidth, 0);
  88         computeKnownBits(const_cast<Value *>(V1), KnownZero, KnownOne, DL, 0,
  89                          AC, UserI, DT);
  90
  91         if (V2) {
  92           KnownZero2 = APInt(BitWidth, 0);
  93           KnownOne2 = APInt(BitWidth, 0);
  94           computeKnownBits(const_cast<Value *>(V2), KnownZero2, KnownOne2, DL,
  95                            0, AC, UserI, DT);
  96         }
  97       };
  98
  99   switch (UserI->getOpcode()) {
 100   default: break;
 101   case Instruction::Call:
 102   case Instruction::Invoke:
 103     if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(UserI))
 104       switch (II->getIntrinsicID()) {
 105       default: break;
 106       case Intrinsic::bswap:
 107         // The alive bits of the input are the swapped alive bits of
 108         // the output.
 109         AB = AOut.byteSwap();
 110         break;
 111       case Intrinsic::ctlz:
 112         if (OperandNo == 0) {
 113           // We need some output bits, so we need all bits of the
 114           // input to the left of, and including, the leftmost bit
 115           // known to be one.
 116           ComputeKnownBits(BitWidth, I, nullptr);
 117           AB = APInt::getHighBitsSet(BitWidth,
 118                  std::min(BitWidth, KnownOne.countLeadingZeros()+1));
 119         }
 120         break;
 121       case Intrinsic::cttz:
 122         if (OperandNo == 0) {
 123           // We need some output bits, so we need all bits of the
 124           // input to the right of, and including, the rightmost bit
 125           // known to be one.
 126           ComputeKnownBits(BitWidth, I, nullptr);
 127           AB = APInt::getLowBitsSet(BitWidth,
 128                  std::min(BitWidth, KnownOne.countTrailingZeros()+1));
 129         }
 130         break;
 131       }
 132     break;
 133   case Instruction::Add:
 134   case Instruction::Sub:
 135   case Instruction::Mul:
 136     // Find the highest live output bit. We don't need any more input
 137     // bits than that (adds, and thus subtracts, ripple only to the
 138     // left).
 139     AB = APInt::getLowBitsSet(BitWidth, AOut.getActiveBits());
 140     break;
 141   case Instruction::Shl:
 142     if (OperandNo == 0)
 143       if (ConstantInt *CI =
 144             dyn_cast<ConstantInt>(UserI->getOperand(1))) {
 145         uint64_t ShiftAmt = CI->getLimitedValue(BitWidth-1);
 146         AB = AOut.lshr(ShiftAmt);
 147
 148         // If the shift is nuw/nsw, then the high bits are not dead
 149         // (because we've promised that they *must* be zero).
 150         const ShlOperator *S = cast<ShlOperator>(UserI);
 151         if (S->hasNoSignedWrap())
 152           AB |= APInt::getHighBitsSet(BitWidth, ShiftAmt+1);
 153         else if (S->hasNoUnsignedWrap())
 154           AB |= APInt::getHighBitsSet(BitWidth, ShiftAmt);
 155       }
 156     break;
 157   case Instruction::LShr:
 158     if (OperandNo == 0)
 159       if (ConstantInt *CI =
 160             dyn_cast<ConstantInt>(UserI->getOperand(1))) {
 161         uint64_t ShiftAmt = CI->getLimitedValue(BitWidth-1);
 162         AB = AOut.shl(ShiftAmt);
 163
 164         // If the shift is exact, then the low bits are not dead
 165         // (they must be zero).
 166         if (cast<LShrOperator>(UserI)->isExact())
 167           AB |= APInt::getLowBitsSet(BitWidth, ShiftAmt);
 168       }
 169     break;
 170   case Instruction::AShr:
 171     if (OperandNo == 0)
 172       if (ConstantInt *CI =
 173             dyn_cast<ConstantInt>(UserI->getOperand(1))) {
 174         uint64_t ShiftAmt = CI->getLimitedValue(BitWidth-1);
 175         AB = AOut.shl(ShiftAmt);
 176         // Because the high input bit is replicated into the
 177         // high-order bits of the result, if we need any of those
 178         // bits, then we must keep the highest input bit.
 179         if ((AOut & APInt::getHighBitsSet(BitWidth, ShiftAmt))
 180             .getBoolValue())
 181           AB.setBit(BitWidth-1);
 182
 183         // If the shift is exact, then the low bits are not dead
 184         // (they must be zero).
 185         if (cast<AShrOperator>(UserI)->isExact())
 186           AB |= APInt::getLowBitsSet(BitWidth, ShiftAmt);
 187       }
 188     break;
 189   case Instruction::And:
 190     AB = AOut;
 191
 192     // For bits that are known zero, the corresponding bits in the
 193     // other operand are dead (unless they're both zero, in which
 194     // case they can't both be dead, so just mark the LHS bits as
 195     // dead).
 196     if (OperandNo == 0) {
 197       ComputeKnownBits(BitWidth, I, UserI->getOperand(1));
 198       AB &= ~KnownZero2;
 199     } else {
 200       if (!isa<Instruction>(UserI->getOperand(0)))
 201         ComputeKnownBits(BitWidth, UserI->getOperand(0), I);
 202       AB &= ~(KnownZero & ~KnownZero2);
 203     }
 204     break;
 205   case Instruction::Or:
 206     AB = AOut;
 207
 208     // For bits that are known one, the corresponding bits in the
 209     // other operand are dead (unless they're both one, in which
 210     // case they can't both be dead, so just mark the LHS bits as
 211     // dead).
 212     if (OperandNo == 0) {
 213       ComputeKnownBits(BitWidth, I, UserI->getOperand(1));
 214       AB &= ~KnownOne2;
 215     } else {
 216       if (!isa<Instruction>(UserI->getOperand(0)))
 217         ComputeKnownBits(BitWidth, UserI->getOperand(0), I);
 218       AB &= ~(KnownOne & ~KnownOne2);
 219     }
 220     break;
 221   case Instruction::Xor:
 222   case Instruction::PHI:
 223     AB = AOut;
 224     break;
 225   case Instruction::Trunc:
 226     AB = AOut.zext(BitWidth);
 227     break;
 228   case Instruction::ZExt:
 229     AB = AOut.trunc(BitWidth);
 230     break;
 231   case Instruction::SExt:
 232     AB = AOut.trunc(BitWidth);
 233     // Because the high input bit is replicated into the
 234     // high-order bits of the result, if we need any of those
 235     // bits, then we must keep the highest input bit.
 236     if ((AOut & APInt::getHighBitsSet(AOut.getBitWidth(),
 237                                       AOut.getBitWidth() - BitWidth))
 238         .getBoolValue())
 239       AB.setBit(BitWidth-1);
 240     break;
 241   case Instruction::Select:
 242     if (OperandNo != 0)
 243       AB = AOut;
 244     break;
 245   }
 246 }
 247
 248 bool DemandedBits::runOnFunction(Function& Fn) {
 249   F = &Fn;
 250   Analyzed = false;
 251   return false;
 252 }
 253
 254 void DemandedBits::performAnalysis() {
 255   if (Analyzed)
 256     // Analysis already completed for this function.
 257     return;
 258   Analyzed = true;
 259   AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(*F);
 260   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
 261
 262   Visited.clear();
 263   AliveBits.clear();
 264
 265   SmallVector<Instruction*, 128> Worklist;
 266
 267   // Collect the set of "root" instructions that are known live.
 268   for (Instruction &I : instructions(*F)) {
 269     if (!isAlwaysLive(&I))
 270       continue;
 271
 272     DEBUG(dbgs() << "DemandedBits: Root: " << I << "\n");
 273     // For integer-valued instructions, set up an initial empty set of alive
 274     // bits and add the instruction to the work list. For other instructions
 275     // add their operands to the work list (for integer values operands, mark
 276     // all bits as live).
 277     if (IntegerType *IT = dyn_cast<IntegerType>(I.getType())) {
 278       if (!AliveBits.count(&I)) {
 279         AliveBits[&I] = APInt(IT->getBitWidth(), 0);
 280         Worklist.push_back(&I);
 281       }
 282
 283       continue;
 284     }
 285
 286     // Non-integer-typed instructions...
 287     for (Use &OI : I.operands()) {
 288       if (Instruction *J = dyn_cast<Instruction>(OI)) {
 289         if (IntegerType *IT = dyn_cast<IntegerType>(J->getType()))
 290           AliveBits[J] = APInt::getAllOnesValue(IT->getBitWidth());
 291         Worklist.push_back(J);
 292       }
 293     }
 294     // To save memory, we don't add I to the Visited set here. Instead, we
 295     // check isAlwaysLive on every instruction when searching for dead
 296     // instructions later (we need to check isAlwaysLive for the
 297     // integer-typed instructions anyway).
 298   }
 299
 300   // Propagate liveness backwards to operands.
 301   while (!Worklist.empty()) {
 302     Instruction *UserI = Worklist.pop_back_val();
 303
 304     DEBUG(dbgs() << "DemandedBits: Visiting: " << *UserI);
 305     APInt AOut;
 306     if (UserI->getType()->isIntegerTy()) {
 307       AOut = AliveBits[UserI];
 308       DEBUG(dbgs() << " Alive Out: " << AOut);
 309     }
 310     DEBUG(dbgs() << "\n");
 311
 312     if (!UserI->getType()->isIntegerTy())
 313       Visited.insert(UserI);
 314
 315     APInt KnownZero, KnownOne, KnownZero2, KnownOne2;
 316     // Compute the set of alive bits for each operand. These are anded into the
 317     // existing set, if any, and if that changes the set of alive bits, the
 318     // operand is added to the work-list.
 319     for (Use &OI : UserI->operands()) {
 320       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OI)) {
 321         if (IntegerType *IT = dyn_cast<IntegerType>(I->getType())) {
 322           unsigned BitWidth = IT->getBitWidth();
 323           APInt AB = APInt::getAllOnesValue(BitWidth);
 324           if (UserI->getType()->isIntegerTy() && !AOut &&
 325               !isAlwaysLive(UserI)) {
 326             AB = APInt(BitWidth, 0);
 327           } else {
 328             // If all bits of the output are dead, then all bits of the input
 329             // Bits of each operand that are used to compute alive bits of the
 330             // output are alive, all others are dead.
 331             determineLiveOperandBits(UserI, I, OI.getOperandNo(), AOut, AB,
 332                                      KnownZero, KnownOne,
 333                                      KnownZero2, KnownOne2);
 334           }
 335
 336           // If we've added to the set of alive bits (or the operand has not
 337           // been previously visited), then re-queue the operand to be visited
 338           // again.
 339           APInt ABPrev(BitWidth, 0);
 340           auto ABI = AliveBits.find(I);
 341           if (ABI != AliveBits.end())
 342             ABPrev = ABI->second;
 343
 344           APInt ABNew = AB | ABPrev;
 345           if (ABNew != ABPrev || ABI == AliveBits.end()) {
 346             AliveBits[I] = std::move(ABNew);
 347             Worklist.push_back(I);
 348           }
 349         } else if (!Visited.count(I)) {
 350           Worklist.push_back(I);
 351         }
 352       }
 353     }
 354   }
 355 }
 356
 357 APInt DemandedBits::getDemandedBits(Instruction *I) {
 358   performAnalysis();
 359
 360   const DataLayout &DL = I->getParent()->getModule()->getDataLayout();
 361   if (AliveBits.count(I))
 362     return AliveBits[I];
 363   return APInt::getAllOnesValue(DL.getTypeSizeInBits(I->getType()));
 364 }
 365
 366 bool DemandedBits::isInstructionDead(Instruction *I) {
 367   performAnalysis();
 368
 369   return !Visited.count(I) && AliveBits.find(I) == AliveBits.end() &&
 370     !isAlwaysLive(I);
 371 }
 372
 373 void DemandedBits::print(raw_ostream &OS, const Module *M) const {
 374   // This is gross. But the alternative is making all the state mutable
 375   // just because of this one debugging method.
 376   const_cast<DemandedBits*>(this)->performAnalysis();
 377   for (auto &KV : AliveBits) {
 378     OS << "DemandedBits: 0x" << utohexstr(KV.second.getLimitedValue()) << " for "
 379        << *KV.first << "\n";
 380   }
 381 }
 382
 383 FunctionPass *llvm::createDemandedBitsPass() {
 384   return new DemandedBits();
 385 }