67d4dd22bbac1d8b467bc17634e3e37dd177000c
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / LoadValueNumbering.cpp
1 //===- LoadValueNumbering.cpp - Load Value #'ing Implementation -*- C++ -*-===//
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 implements a value numbering pass that value numbers load and call
11 // instructions.  To do this, it finds lexically identical load instructions,
12 // and uses alias analysis to determine which loads are guaranteed to produce
13 // the same value.  To value number call instructions, it looks for calls to
14 // functions that do not write to memory which do not have intervening
15 // instructions that clobber the memory that is read from.
16 //
17 // This pass builds off of another value numbering pass to implement value
18 // numbering for non-load and non-call instructions.  It uses Alias Analysis so
19 // that it can disambiguate the load instructions.  The more powerful these base
20 // analyses are, the more powerful the resultant value numbering will be.
21 //
22 //===----------------------------------------------------------------------===//
23
24 #include "llvm/Analysis/LoadValueNumbering.h"
25 #include "llvm/Constants.h"
26 #include "llvm/Function.h"
27 #include "llvm/Instructions.h"
28 #include "llvm/Pass.h"
29 #include "llvm/Type.h"
30 #include "llvm/Analysis/ValueNumbering.h"
31 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
32 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/Compiler.h"
35 #include "llvm/Target/TargetData.h"
36 #include <set>
37 #include <algorithm>
38 using namespace llvm;
39
40 namespace {
41   // FIXME: This should not be a FunctionPass.
42   struct VISIBILITY_HIDDEN LoadVN : public FunctionPass, public ValueNumbering {
43     static char ID; // Class identification, replacement for typeinfo
44     LoadVN() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
45
46     /// Pass Implementation stuff.  This doesn't do any analysis.
47     ///
48     bool runOnFunction(Function &) { return false; }
49
50     /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering
51     /// and Alias Analysis.
52     ///
53     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
54
55     /// getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
56     /// specified Value.  This fills in the argument vector with any equal
57     /// values.
58     ///
59     virtual void getEqualNumberNodes(Value *V1,
60                                      std::vector<Value*> &RetVals) const;
61
62     /// deleteValue - This method should be called whenever an LLVM Value is
63     /// deleted from the program, for example when an instruction is found to be
64     /// redundant and is eliminated.
65     ///
66     virtual void deleteValue(Value *V) {
67       getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(V);
68     }
69
70     /// copyValue - This method should be used whenever a preexisting value in
71     /// the program is copied or cloned, introducing a new value.  Note that
72     /// analysis implementations should tolerate clients that use this method to
73     /// introduce the same value multiple times: if the analysis already knows
74     /// about a value, it should ignore the request.
75     ///
76     virtual void copyValue(Value *From, Value *To) {
77       getAnalysis<AliasAnalysis>().copyValue(From, To);
78     }
79
80     /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls
81     /// that have the same value number.
82     void getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
83                                  std::vector<Value*> &RetVals) const;
84   };
85
86   char LoadVN::ID = 0;
87   // Register this pass...
88   RegisterPass<LoadVN> X("load-vn", "Load Value Numbering");
89
90   // Declare that we implement the ValueNumbering interface
91   RegisterAnalysisGroup<ValueNumbering> Y(X);
92 }
93
94 FunctionPass *llvm::createLoadValueNumberingPass() { return new LoadVN(); }
95
96
97 /// getAnalysisUsage - Does not modify anything.  It uses Value Numbering and
98 /// Alias Analysis.
99 ///
100 void LoadVN::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
101   AU.setPreservesAll();
102   AU.addRequiredTransitive<AliasAnalysis>();
103   AU.addRequired<ValueNumbering>();
104   AU.addRequiredTransitive<DominatorTree>();
105   AU.addRequiredTransitive<TargetData>();
106 }
107
108 static bool isPathTransparentTo(BasicBlock *CurBlock, BasicBlock *Dom,
109                                 Value *Ptr, unsigned Size, AliasAnalysis &AA,
110                                 std::set<BasicBlock*> &Visited,
111                                 std::map<BasicBlock*, bool> &TransparentBlocks){
112   // If we have already checked out this path, or if we reached our destination,
113   // stop searching, returning success.
114   if (CurBlock == Dom || !Visited.insert(CurBlock).second)
115     return true;
116
117   // Check whether this block is known transparent or not.
118   std::map<BasicBlock*, bool>::iterator TBI =
119     TransparentBlocks.lower_bound(CurBlock);
120
121   if (TBI == TransparentBlocks.end() || TBI->first != CurBlock) {
122     // If this basic block can modify the memory location, then the path is not
123     // transparent!
124     if (AA.canBasicBlockModify(*CurBlock, Ptr, Size)) {
125       TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, false));
126       return false;
127     }
128     TransparentBlocks.insert(TBI, std::make_pair(CurBlock, true));
129   } else if (!TBI->second)
130     // This block is known non-transparent, so that path can't be either.
131     return false;
132
133   // The current block is known to be transparent.  The entire path is
134   // transparent if all of the predecessors paths to the parent is also
135   // transparent to the memory location.
136   for (pred_iterator PI = pred_begin(CurBlock), E = pred_end(CurBlock);
137        PI != E; ++PI)
138     if (!isPathTransparentTo(*PI, Dom, Ptr, Size, AA, Visited,
139                              TransparentBlocks))
140       return false;
141   return true;
142 }
143
144 /// getCallEqualNumberNodes - Given a call instruction, find other calls that
145 /// have the same value number.
146 void LoadVN::getCallEqualNumberNodes(CallInst *CI,
147                                      std::vector<Value*> &RetVals) const {
148   Function *CF = CI->getCalledFunction();
149   if (CF == 0) return;  // Indirect call.
150   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
151   AliasAnalysis::ModRefBehavior MRB = AA.getModRefBehavior(CI);
152   if (MRB != AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory &&
153       MRB != AliasAnalysis::OnlyReadsMemory)
154     return;  // Nothing we can do for now.
155
156   // Scan all of the arguments of the function, looking for one that is not
157   // global.  In particular, we would prefer to have an argument or instruction
158   // operand to chase the def-use chains of.
159   Value *Op = CF;
160   for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
161     if (isa<Argument>(CI->getOperand(i)) ||
162         isa<Instruction>(CI->getOperand(i))) {
163       Op = CI->getOperand(i);
164       break;
165     }
166
167   // Identify all lexically identical calls in this function.
168   std::vector<CallInst*> IdenticalCalls;
169
170   Function *CIFunc = CI->getParent()->getParent();
171   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), E = Op->use_end(); UI != E;
172        ++UI)
173     if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(*UI))
174       if (C->getNumOperands() == CI->getNumOperands() &&
175           C->getOperand(0) == CI->getOperand(0) &&
176           C->getParent()->getParent() == CIFunc && C != CI) {
177         bool AllOperandsEqual = true;
178         for (unsigned i = 1, e = CI->getNumOperands(); i != e; ++i)
179           if (C->getOperand(i) != CI->getOperand(i)) {
180             AllOperandsEqual = false;
181             break;
182           }
183
184         if (AllOperandsEqual)
185           IdenticalCalls.push_back(C);
186       }
187
188   if (IdenticalCalls.empty()) return;
189
190   // Eliminate duplicates, which could occur if we chose a value that is passed
191   // into a call site multiple times.
192   std::sort(IdenticalCalls.begin(), IdenticalCalls.end());
193   IdenticalCalls.erase(std::unique(IdenticalCalls.begin(),IdenticalCalls.end()),
194                        IdenticalCalls.end());
195
196   // If the call reads memory, we must make sure that there are no stores
197   // between the calls in question.
198   //
199   // FIXME: This should use mod/ref information.  What we really care about it
200   // whether an intervening instruction could modify memory that is read, not
201   // ANY memory.
202   //
203   if (MRB == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
204     DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
205     BasicBlock *CIBB = CI->getParent();
206     for (unsigned i = 0; i != IdenticalCalls.size(); ++i) {
207       CallInst *C = IdenticalCalls[i];
208       bool CantEqual = false;
209
210       if (DT.dominates(CIBB, C->getParent())) {
211         // FIXME: we currently only handle the case where both calls are in the
212         // same basic block.
213         if (CIBB != C->getParent()) {
214           CantEqual = true;
215         } else {
216           Instruction *First = CI, *Second = C;
217           if (!DT.dominates(CI, C))
218             std::swap(First, Second);
219
220           // Scan the instructions between the calls, checking for stores or
221           // calls to dangerous functions.
222           BasicBlock::iterator I = First;
223           for (++First; I != BasicBlock::iterator(Second); ++I) {
224             if (isa<StoreInst>(I)) {
225               // FIXME: We could use mod/ref information to make this much
226               // better!
227               CantEqual = true;
228               break;
229             } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
230               if (!AA.onlyReadsMemory(CI)) {
231                 CantEqual = true;
232                 break;
233               }
234             } else if (I->mayWriteToMemory()) {
235               CantEqual = true;
236               break;
237             }
238           }
239         }
240
241       } else if (DT.dominates(C->getParent(), CIBB)) {
242         // FIXME: We could implement this, but we don't for now.
243         CantEqual = true;
244       } else {
245         // FIXME: if one doesn't dominate the other, we can't tell yet.
246         CantEqual = true;
247       }
248
249
250       if (CantEqual) {
251         // This call does not produce the same value as the one in the query.
252         std::swap(IdenticalCalls[i--], IdenticalCalls.back());
253         IdenticalCalls.pop_back();
254       }
255     }
256   }
257
258   // Any calls that are identical and not destroyed will produce equal values!
259   for (unsigned i = 0, e = IdenticalCalls.size(); i != e; ++i)
260     RetVals.push_back(IdenticalCalls[i]);
261 }
262
263 // getEqualNumberNodes - Return nodes with the same value number as the
264 // specified Value.  This fills in the argument vector with any equal values.
265 //
266 void LoadVN::getEqualNumberNodes(Value *V,
267                                  std::vector<Value*> &RetVals) const {
268   // If the alias analysis has any must alias information to share with us, we
269   // can definitely use it.
270   if (isa<PointerType>(V->getType()))
271     getAnalysis<AliasAnalysis>().getMustAliases(V, RetVals);
272
273   if (!isa<LoadInst>(V)) {
274     if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(V))
275       getCallEqualNumberNodes(CI, RetVals);
276
277     // Not a load instruction?  Just chain to the base value numbering
278     // implementation to satisfy the request...
279     assert(&getAnalysis<ValueNumbering>() != (ValueNumbering*)this &&
280            "getAnalysis() returned this!");
281
282     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
283   }
284
285   // Volatile loads cannot be replaced with the value of other loads.
286   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(V);
287   if (LI->isVolatile())
288     return getAnalysis<ValueNumbering>().getEqualNumberNodes(V, RetVals);
289
290   Value *LoadPtr = LI->getOperand(0);
291   BasicBlock *LoadBB = LI->getParent();
292   Function *F = LoadBB->getParent();
293
294   // Find out how many bytes of memory are loaded by the load instruction...
295   unsigned LoadSize = getAnalysis<TargetData>().getTypeStoreSize(LI->getType());
296   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
297
298   // Figure out if the load is invalidated from the entry of the block it is in
299   // until the actual instruction.  This scans the block backwards from LI.  If
300   // we see any candidate load or store instructions, then we know that the
301   // candidates have the same value # as LI.
302   bool LoadInvalidatedInBBBefore = false;
303   for (BasicBlock::iterator I = LI; I != LoadBB->begin(); ) {
304     --I;
305     if (I == LoadPtr) {
306       // If we run into an allocation of the value being loaded, then the
307       // contents are not initialized.
308       if (isa<AllocationInst>(I))
309         RetVals.push_back(UndefValue::get(LI->getType()));
310
311       // Otherwise, since this is the definition of what we are loading, this
312       // loaded value cannot occur before this block.
313       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
314       break;
315     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
316       // If this instruction is a candidate load before LI, we know there are no
317       // invalidating instructions between it and LI, so they have the same
318       // value number.
319       if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile())
320         RetVals.push_back(I);
321     }
322
323     if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
324       // If the invalidating instruction is a store, and its in our candidate
325       // set, then we can do store-load forwarding: the load has the same value
326       // # as the stored value.
327       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
328         if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
329           RetVals.push_back(I->getOperand(0));
330
331       LoadInvalidatedInBBBefore = true;
332       break;
333     }
334   }
335
336   // Figure out if the load is invalidated between the load and the exit of the
337   // block it is defined in.  While we are scanning the current basic block, if
338   // we see any candidate loads, then we know they have the same value # as LI.
339   //
340   bool LoadInvalidatedInBBAfter = false;
341   {
342     BasicBlock::iterator I = LI;
343     for (++I; I != LoadBB->end(); ++I) {
344       // If this instruction is a load, then this instruction returns the same
345       // value as LI.
346       if (isa<LoadInst>(I) && cast<LoadInst>(I)->getOperand(0) == LoadPtr)
347         RetVals.push_back(I);
348
349       if (AA.getModRefInfo(I, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
350         LoadInvalidatedInBBAfter = true;
351         break;
352       }
353     }
354   }
355
356   // If the pointer is clobbered on entry and on exit to the function, there is
357   // no need to do any global analysis at all.
358   if (LoadInvalidatedInBBBefore && LoadInvalidatedInBBAfter)
359     return;
360
361   // Now that we know the value is not neccesarily killed on entry or exit to
362   // the BB, find out how many load and store instructions (to this location)
363   // live in each BB in the function.
364   //
365   std::map<BasicBlock*, unsigned>  CandidateLoads;
366   std::set<BasicBlock*> CandidateStores;
367
368   for (Value::use_iterator UI = LoadPtr->use_begin(), UE = LoadPtr->use_end();
369        UI != UE; ++UI)
370     if (LoadInst *Cand = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {// Is a load of source?
371       if (Cand->getParent()->getParent() == F &&   // In the same function?
372           // Not in LI's block?
373           Cand->getParent() != LoadBB && !Cand->isVolatile())
374         ++CandidateLoads[Cand->getParent()];       // Got one.
375     } else if (StoreInst *Cand = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
376       if (Cand->getParent()->getParent() == F && !Cand->isVolatile() &&
377           Cand->getOperand(1) == LoadPtr) // It's a store THROUGH the ptr.
378         CandidateStores.insert(Cand->getParent());
379     }
380
381   // Get dominators.
382   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
383
384   // TransparentBlocks - For each basic block the load/store is alive across,
385   // figure out if the pointer is invalidated or not.  If it is invalidated, the
386   // boolean is set to false, if it's not it is set to true.  If we don't know
387   // yet, the entry is not in the map.
388   std::map<BasicBlock*, bool> TransparentBlocks;
389
390   // Loop over all of the basic blocks that also load the value.  If the value
391   // is live across the CFG from the source to destination blocks, and if the
392   // value is not invalidated in either the source or destination blocks, add it
393   // to the equivalence sets.
394   for (std::map<BasicBlock*, unsigned>::iterator
395          I = CandidateLoads.begin(), E = CandidateLoads.end(); I != E; ++I) {
396     bool CantEqual = false;
397
398     // Right now we only can handle cases where one load dominates the other.
399     // FIXME: generalize this!
400     BasicBlock *BB1 = I->first, *BB2 = LoadBB;
401     if (DT.dominates(BB1, BB2)) {
402       // The other load dominates LI.  If the loaded value is killed entering
403       // the LoadBB block, we know the load is not live.
404       if (LoadInvalidatedInBBBefore)
405         CantEqual = true;
406     } else if (DT.dominates(BB2, BB1)) {
407       std::swap(BB1, BB2);          // Canonicalize
408       // LI dominates the other load.  If the loaded value is killed exiting
409       // the LoadBB block, we know the load is not live.
410       if (LoadInvalidatedInBBAfter)
411         CantEqual = true;
412     } else {
413       // None of these loads can VN the same.
414       CantEqual = true;
415     }
416
417     if (!CantEqual) {
418       // Ok, at this point, we know that BB1 dominates BB2, and that there is
419       // nothing in the LI block that kills the loaded value.  Check to see if
420       // the value is live across the CFG.
421       std::set<BasicBlock*> Visited;
422       for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), E = pred_end(BB2); PI!=E; ++PI)
423         if (!isPathTransparentTo(*PI, BB1, LoadPtr, LoadSize, AA,
424                                  Visited, TransparentBlocks)) {
425           // None of these loads can VN the same.
426           CantEqual = true;
427           break;
428         }
429     }
430
431     // If the loads can equal so far, scan the basic block that contains the
432     // loads under consideration to see if they are invalidated in the block.
433     // For any loads that are not invalidated, add them to the equivalence
434     // set!
435     if (!CantEqual) {
436       unsigned NumLoads = I->second;
437       if (BB1 == LoadBB) {
438         // If LI dominates the block in question, check to see if any of the
439         // loads in this block are invalidated before they are reached.
440         for (BasicBlock::iterator BBI = I->first->begin(); ; ++BBI) {
441           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
442             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
443               // The load is in the set!
444               RetVals.push_back(BBI);
445               if (--NumLoads == 0) break;  // Found last load to check.
446             }
447           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
448                                 & AliasAnalysis::Mod) {
449             // If there is a modifying instruction, nothing below it will value
450             // # the same.
451             break;
452           }
453         }
454       } else {
455         // If the block dominates LI, make sure that the loads in the block are
456         // not invalidated before the block ends.
457         BasicBlock::iterator BBI = I->first->end();
458         while (1) {
459           --BBI;
460           if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
461             if (LI->getOperand(0) == LoadPtr && !LI->isVolatile()) {
462               // The load is the same as this load!
463               RetVals.push_back(BBI);
464               if (--NumLoads == 0) break;  // Found all of the laods.
465             }
466           } else if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize)
467                              & AliasAnalysis::Mod) {
468             // If there is a modifying instruction, nothing above it will value
469             // # the same.
470             break;
471           }
472         }
473       }
474     }
475   }
476
477   // Handle candidate stores.  If the loaded location is clobbered on entrance
478   // to the LoadBB, no store outside of the LoadBB can value number equal, so
479   // quick exit.
480   if (LoadInvalidatedInBBBefore)
481     return;
482
483   // Stores in the load-bb are handled above.
484   CandidateStores.erase(LoadBB);
485
486   for (std::set<BasicBlock*>::iterator I = CandidateStores.begin(),
487          E = CandidateStores.end(); I != E; ++I)
488     if (DT.dominates(*I, LoadBB)) {
489       BasicBlock *StoreBB = *I;
490
491       // Check to see if the path from the store to the load is transparent
492       // w.r.t. the memory location.
493       bool CantEqual = false;
494       std::set<BasicBlock*> Visited;
495       for (pred_iterator PI = pred_begin(LoadBB), E = pred_end(LoadBB);
496            PI != E; ++PI)
497         if (!isPathTransparentTo(*PI, StoreBB, LoadPtr, LoadSize, AA,
498                                  Visited, TransparentBlocks)) {
499           // None of these stores can VN the same.
500           CantEqual = true;
501           break;
502         }
503       Visited.clear();
504       if (!CantEqual) {
505         // Okay, the path from the store block to the load block is clear, and
506         // we know that there are no invalidating instructions from the start
507         // of the load block to the load itself.  Now we just scan the store
508         // block.
509
510         BasicBlock::iterator BBI = StoreBB->end();
511         while (1) {
512           assert(BBI != StoreBB->begin() &&
513                  "There is a store in this block of the pointer, but the store"
514                  " doesn't mod the address being stored to??  Must be a bug in"
515                  " the alias analysis implementation!");
516           --BBI;
517           if (AA.getModRefInfo(BBI, LoadPtr, LoadSize) & AliasAnalysis::Mod) {
518             // If the invalidating instruction is one of the candidates,
519             // then it provides the value the load loads.
520             if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(BBI))
521               if (SI->getOperand(1) == LoadPtr)
522                 RetVals.push_back(SI->getOperand(0));
523             break;
524           }
525         }
526       }
527     }
528 }