if the terminator is a branch depending upon the side effects of a
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / PHIElimination.cpp
1 //===-- PhiElimination.cpp - Eliminate PHI nodes by inserting copies ------===//
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 eliminates machine instruction PHI nodes by inserting copy
11 // instructions.  This destroys SSA information, but is the desired input for
12 // some register allocators.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15
16 #define DEBUG_TYPE "phielim"
17 #include "llvm/BasicBlock.h"
18 #include "llvm/Instructions.h"
19 #include "llvm/CodeGen/LiveVariables.h"
20 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
21 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
22 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
23 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
24 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
25 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
26 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
27 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
28 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
29 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
30 #include "llvm/Support/Compiler.h"
31 #include <algorithm>
32 #include <map>
33 using namespace llvm;
34
35 STATISTIC(NumAtomic, "Number of atomic phis lowered");
36
37 namespace {
38   class VISIBILITY_HIDDEN PNE : public MachineFunctionPass {
39     MachineRegisterInfo  *MRI; // Machine register information
40
41   public:
42     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
43     PNE() : MachineFunctionPass(&ID) {}
44
45     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
46     
47     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
48       AU.addPreserved<LiveVariables>();
49       AU.addPreservedID(MachineLoopInfoID);
50       AU.addPreservedID(MachineDominatorsID);
51       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
52     }
53
54   private:
55     /// EliminatePHINodes - Eliminate phi nodes by inserting copy instructions
56     /// in predecessor basic blocks.
57     ///
58     bool EliminatePHINodes(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB);
59     void LowerAtomicPHINode(MachineBasicBlock &MBB,
60                             MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt);
61
62     /// analyzePHINodes - Gather information about the PHI nodes in
63     /// here. In particular, we want to map the number of uses of a virtual
64     /// register which is used in a PHI node. We map that to the BB the
65     /// vreg is coming from. This is used later to determine when the vreg
66     /// is killed in the BB.
67     ///
68     void analyzePHINodes(const MachineFunction& Fn);
69
70     // FindCopyInsertPoint - Find a safe place in MBB to insert a copy from
71     // SrcReg.  This needs to be after any def or uses of SrcReg, but before
72     // any subsequent point where control flow might jump out of the basic
73     // block.
74     MachineBasicBlock::iterator FindCopyInsertPoint(MachineBasicBlock &MBB,
75                                                     unsigned SrcReg);
76
77     // SkipPHIsAndLabels - Copies need to be inserted after phi nodes and
78     // also after any exception handling labels: in landing pads execution
79     // starts at the label, so any copies placed before it won't be executed!
80     MachineBasicBlock::iterator SkipPHIsAndLabels(MachineBasicBlock &MBB,
81                                                 MachineBasicBlock::iterator I) {
82       // Rather than assuming that EH labels come before other kinds of labels,
83       // just skip all labels.
84       while (I != MBB.end() &&
85              (I->getOpcode() == TargetInstrInfo::PHI || I->isLabel()))
86         ++I;
87       return I;
88     }
89
90     typedef std::pair<const MachineBasicBlock*, unsigned> BBVRegPair;
91     typedef std::map<BBVRegPair, unsigned> VRegPHIUse;
92
93     VRegPHIUse VRegPHIUseCount;
94
95     // Defs of PHI sources which are implicit_def.
96     SmallPtrSet<MachineInstr*, 4> ImpDefs;
97   };
98 }
99
100 char PNE::ID = 0;
101 static RegisterPass<PNE>
102 X("phi-node-elimination", "Eliminate PHI nodes for register allocation");
103
104 const PassInfo *const llvm::PHIEliminationID = &X;
105
106 bool PNE::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
107   MRI = &Fn.getRegInfo();
108
109   analyzePHINodes(Fn);
110
111   bool Changed = false;
112
113   // Eliminate PHI instructions by inserting copies into predecessor blocks.
114   for (MachineFunction::iterator I = Fn.begin(), E = Fn.end(); I != E; ++I)
115     Changed |= EliminatePHINodes(Fn, *I);
116
117   // Remove dead IMPLICIT_DEF instructions.
118   for (SmallPtrSet<MachineInstr*,4>::iterator I = ImpDefs.begin(),
119          E = ImpDefs.end(); I != E; ++I) {
120     MachineInstr *DefMI = *I;
121     unsigned DefReg = DefMI->getOperand(0).getReg();
122     if (MRI->use_empty(DefReg))
123       DefMI->eraseFromParent();
124   }
125
126   ImpDefs.clear();
127   VRegPHIUseCount.clear();
128   return Changed;
129 }
130
131
132 /// EliminatePHINodes - Eliminate phi nodes by inserting copy instructions in
133 /// predecessor basic blocks.
134 ///
135 bool PNE::EliminatePHINodes(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB) {
136   if (MBB.empty() || MBB.front().getOpcode() != TargetInstrInfo::PHI)
137     return false;   // Quick exit for basic blocks without PHIs.
138
139   // Get an iterator to the first instruction after the last PHI node (this may
140   // also be the end of the basic block).
141   MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt = SkipPHIsAndLabels(MBB, MBB.begin());
142
143   while (MBB.front().getOpcode() == TargetInstrInfo::PHI)
144     LowerAtomicPHINode(MBB, AfterPHIsIt);
145
146   return true;
147 }
148
149 /// isSourceDefinedByImplicitDef - Return true if all sources of the phi node
150 /// are implicit_def's.
151 static bool isSourceDefinedByImplicitDef(const MachineInstr *MPhi,
152                                          const MachineRegisterInfo *MRI) {
153   for (unsigned i = 1; i != MPhi->getNumOperands(); i += 2) {
154     unsigned SrcReg = MPhi->getOperand(i).getReg();
155     const MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(SrcReg);
156     if (!DefMI || DefMI->getOpcode() != TargetInstrInfo::IMPLICIT_DEF)
157       return false;
158   }
159   return true;
160 }
161
162 // FindCopyInsertPoint - Find a safe place in MBB to insert a copy from SrcReg.
163 // This needs to be after any def or uses of SrcReg, but before any subsequent
164 // point where control flow might jump out of the basic block.
165 MachineBasicBlock::iterator PNE::FindCopyInsertPoint(MachineBasicBlock &MBB,
166                                                      unsigned SrcReg) {
167   // Handle the trivial case trivially.
168   if (MBB.empty())
169     return MBB.begin();
170
171   // If this basic block does not contain an invoke, then control flow always
172   // reaches the end of it, so place the copy there.
173   // If the terminator is a branch depending upon the side effects of a 
174   // previous cmp; a copy can not be inserted here if the copy insn also
175   // side effects. We don't have access to the attributes of copy insn here;
176   // so just play safe by finding a safe locations for branch terminators. 
177   //
178   // The logic below works in this case too, but is more expensive.
179   const TerminatorInst *TermInst = MBB.getBasicBlock()->getTerminator();
180   if (!(isa<InvokeInst>(TermInst) || isa<BranchInst>(TermInst)))
181     return MBB.getFirstTerminator();
182
183   // Discover any definition/uses in this basic block.
184   SmallPtrSet<MachineInstr*, 8> DefUsesInMBB;
185   for (MachineRegisterInfo::reg_iterator RI = MRI->reg_begin(SrcReg),
186        RE = MRI->reg_end(); RI != RE; ++RI) {
187     MachineInstr *DefUseMI = &*RI;
188     if (DefUseMI->getParent() == &MBB)
189       DefUsesInMBB.insert(DefUseMI);
190   }
191
192   MachineBasicBlock::iterator InsertPoint;
193   if (DefUsesInMBB.empty()) {
194     // No def/uses.  Insert the copy at the start of the basic block.
195     InsertPoint = MBB.begin();
196   } else if (DefUsesInMBB.size() == 1) {
197     // Insert the copy immediately after the definition/use.
198     InsertPoint = *DefUsesInMBB.begin();
199     ++InsertPoint;
200   } else {
201     // Insert the copy immediately after the last definition/use.
202     InsertPoint = MBB.end();
203     while (!DefUsesInMBB.count(&*--InsertPoint)) {}
204     ++InsertPoint;
205   }
206
207   // Make sure the copy goes after any phi nodes however.
208   return SkipPHIsAndLabels(MBB, InsertPoint);
209 }
210
211 /// LowerAtomicPHINode - Lower the PHI node at the top of the specified block,
212 /// under the assuption that it needs to be lowered in a way that supports
213 /// atomic execution of PHIs.  This lowering method is always correct all of the
214 /// time.
215 /// 
216 void PNE::LowerAtomicPHINode(MachineBasicBlock &MBB,
217                              MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt) {
218   // Unlink the PHI node from the basic block, but don't delete the PHI yet.
219   MachineInstr *MPhi = MBB.remove(MBB.begin());
220
221   unsigned NumSrcs = (MPhi->getNumOperands() - 1) / 2;
222   unsigned DestReg = MPhi->getOperand(0).getReg();
223   bool isDead = MPhi->getOperand(0).isDead();
224
225   // Create a new register for the incoming PHI arguments.
226   MachineFunction &MF = *MBB.getParent();
227   const TargetRegisterClass *RC = MF.getRegInfo().getRegClass(DestReg);
228   unsigned IncomingReg = 0;
229
230   // Insert a register to register copy at the top of the current block (but
231   // after any remaining phi nodes) which copies the new incoming register
232   // into the phi node destination.
233   const TargetInstrInfo *TII = MF.getTarget().getInstrInfo();
234   if (isSourceDefinedByImplicitDef(MPhi, MRI))
235     // If all sources of a PHI node are implicit_def, just emit an
236     // implicit_def instead of a copy.
237     BuildMI(MBB, AfterPHIsIt, MPhi->getDebugLoc(),
238             TII->get(TargetInstrInfo::IMPLICIT_DEF), DestReg);
239   else {
240     IncomingReg = MF.getRegInfo().createVirtualRegister(RC);
241     TII->copyRegToReg(MBB, AfterPHIsIt, DestReg, IncomingReg, RC, RC);
242   }
243
244   // Update live variable information if there is any.
245   LiveVariables *LV = getAnalysisIfAvailable<LiveVariables>();
246   if (LV) {
247     MachineInstr *PHICopy = prior(AfterPHIsIt);
248
249     if (IncomingReg) {
250       // Increment use count of the newly created virtual register.
251       LV->getVarInfo(IncomingReg).NumUses++;
252
253       // Add information to LiveVariables to know that the incoming value is
254       // killed.  Note that because the value is defined in several places (once
255       // each for each incoming block), the "def" block and instruction fields
256       // for the VarInfo is not filled in.
257       LV->addVirtualRegisterKilled(IncomingReg, PHICopy);
258     }
259
260     // Since we are going to be deleting the PHI node, if it is the last use of
261     // any registers, or if the value itself is dead, we need to move this
262     // information over to the new copy we just inserted.
263     LV->removeVirtualRegistersKilled(MPhi);
264
265     // If the result is dead, update LV.
266     if (isDead) {
267       LV->addVirtualRegisterDead(DestReg, PHICopy);
268       LV->removeVirtualRegisterDead(DestReg, MPhi);
269     }
270   }
271
272   // Adjust the VRegPHIUseCount map to account for the removal of this PHI node.
273   for (unsigned i = 1; i != MPhi->getNumOperands(); i += 2)
274     --VRegPHIUseCount[BBVRegPair(MPhi->getOperand(i + 1).getMBB(),
275                                  MPhi->getOperand(i).getReg())];
276
277   // Now loop over all of the incoming arguments, changing them to copy into the
278   // IncomingReg register in the corresponding predecessor basic block.
279   SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 8> MBBsInsertedInto;
280   for (int i = NumSrcs - 1; i >= 0; --i) {
281     unsigned SrcReg = MPhi->getOperand(i*2+1).getReg();
282     assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(SrcReg) &&
283            "Machine PHI Operands must all be virtual registers!");
284
285     // If source is defined by an implicit def, there is no need to insert a
286     // copy.
287     MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(SrcReg);
288     if (DefMI->getOpcode() == TargetInstrInfo::IMPLICIT_DEF) {
289       ImpDefs.insert(DefMI);
290       continue;
291     }
292
293     // Get the MachineBasicBlock equivalent of the BasicBlock that is the source
294     // path the PHI.
295     MachineBasicBlock &opBlock = *MPhi->getOperand(i*2+2).getMBB();
296
297     // Check to make sure we haven't already emitted the copy for this block.
298     // This can happen because PHI nodes may have multiple entries for the same
299     // basic block.
300     if (!MBBsInsertedInto.insert(&opBlock))
301       continue;  // If the copy has already been emitted, we're done.
302  
303     // Find a safe location to insert the copy, this may be the first terminator
304     // in the block (or end()).
305     MachineBasicBlock::iterator InsertPos = FindCopyInsertPoint(opBlock, SrcReg);
306
307     // Insert the copy.
308     TII->copyRegToReg(opBlock, InsertPos, IncomingReg, SrcReg, RC, RC);
309
310     // Now update live variable information if we have it.  Otherwise we're done
311     if (!LV) continue;
312     
313     // We want to be able to insert a kill of the register if this PHI (aka, the
314     // copy we just inserted) is the last use of the source value.  Live
315     // variable analysis conservatively handles this by saying that the value is
316     // live until the end of the block the PHI entry lives in.  If the value
317     // really is dead at the PHI copy, there will be no successor blocks which
318     // have the value live-in.
319     //
320     // Check to see if the copy is the last use, and if so, update the live
321     // variables information so that it knows the copy source instruction kills
322     // the incoming value.
323     LiveVariables::VarInfo &InRegVI = LV->getVarInfo(SrcReg);
324
325     // Loop over all of the successors of the basic block, checking to see if
326     // the value is either live in the block, or if it is killed in the block.
327     // Also check to see if this register is in use by another PHI node which
328     // has not yet been eliminated.  If so, it will be killed at an appropriate
329     // point later.
330
331     // Is it used by any PHI instructions in this block?
332     bool ValueIsLive = VRegPHIUseCount[BBVRegPair(&opBlock, SrcReg)] != 0;
333
334     std::vector<MachineBasicBlock*> OpSuccBlocks;
335     
336     // Otherwise, scan successors, including the BB the PHI node lives in.
337     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = opBlock.succ_begin(),
338            E = opBlock.succ_end(); SI != E && !ValueIsLive; ++SI) {
339       MachineBasicBlock *SuccMBB = *SI;
340
341       // Is it alive in this successor?
342       unsigned SuccIdx = SuccMBB->getNumber();
343       if (InRegVI.AliveBlocks.test(SuccIdx)) {
344         ValueIsLive = true;
345         break;
346       }
347
348       OpSuccBlocks.push_back(SuccMBB);
349     }
350
351     // Check to see if this value is live because there is a use in a successor
352     // that kills it.
353     if (!ValueIsLive) {
354       switch (OpSuccBlocks.size()) {
355       case 1: {
356         MachineBasicBlock *MBB = OpSuccBlocks[0];
357         for (unsigned i = 0, e = InRegVI.Kills.size(); i != e; ++i)
358           if (InRegVI.Kills[i]->getParent() == MBB) {
359             ValueIsLive = true;
360             break;
361           }
362         break;
363       }
364       case 2: {
365         MachineBasicBlock *MBB1 = OpSuccBlocks[0], *MBB2 = OpSuccBlocks[1];
366         for (unsigned i = 0, e = InRegVI.Kills.size(); i != e; ++i)
367           if (InRegVI.Kills[i]->getParent() == MBB1 || 
368               InRegVI.Kills[i]->getParent() == MBB2) {
369             ValueIsLive = true;
370             break;
371           }
372         break;        
373       }
374       default:
375         std::sort(OpSuccBlocks.begin(), OpSuccBlocks.end());
376         for (unsigned i = 0, e = InRegVI.Kills.size(); i != e; ++i)
377           if (std::binary_search(OpSuccBlocks.begin(), OpSuccBlocks.end(),
378                                  InRegVI.Kills[i]->getParent())) {
379             ValueIsLive = true;
380             break;
381           }
382       }
383     }        
384
385     // Okay, if we now know that the value is not live out of the block, we can
386     // add a kill marker in this block saying that it kills the incoming value!
387     if (!ValueIsLive) {
388       // In our final twist, we have to decide which instruction kills the
389       // register.  In most cases this is the copy, however, the first
390       // terminator instruction at the end of the block may also use the value.
391       // In this case, we should mark *it* as being the killing block, not the
392       // copy.
393       MachineBasicBlock::iterator KillInst = prior(InsertPos);
394       MachineBasicBlock::iterator Term = opBlock.getFirstTerminator();
395       if (Term != opBlock.end()) {
396         if (Term->readsRegister(SrcReg))
397           KillInst = Term;
398       
399         // Check that no other terminators use values.
400 #ifndef NDEBUG
401         for (MachineBasicBlock::iterator TI = next(Term); TI != opBlock.end();
402              ++TI) {
403           assert(!TI->readsRegister(SrcReg) &&
404                  "Terminator instructions cannot use virtual registers unless"
405                  "they are the first terminator in a block!");
406         }
407 #endif
408       }
409       
410       // Finally, mark it killed.
411       LV->addVirtualRegisterKilled(SrcReg, KillInst);
412
413       // This vreg no longer lives all of the way through opBlock.
414       unsigned opBlockNum = opBlock.getNumber();
415       InRegVI.AliveBlocks.reset(opBlockNum);
416     }
417   }
418     
419   // Really delete the PHI instruction now!
420   MF.DeleteMachineInstr(MPhi);
421   ++NumAtomic;
422 }
423
424 /// analyzePHINodes - Gather information about the PHI nodes in here. In
425 /// particular, we want to map the number of uses of a virtual register which is
426 /// used in a PHI node. We map that to the BB the vreg is coming from. This is
427 /// used later to determine when the vreg is killed in the BB.
428 ///
429 void PNE::analyzePHINodes(const MachineFunction& Fn) {
430   for (MachineFunction::const_iterator I = Fn.begin(), E = Fn.end();
431        I != E; ++I)
432     for (MachineBasicBlock::const_iterator BBI = I->begin(), BBE = I->end();
433          BBI != BBE && BBI->getOpcode() == TargetInstrInfo::PHI; ++BBI)
434       for (unsigned i = 1, e = BBI->getNumOperands(); i != e; i += 2)
435         ++VRegPHIUseCount[BBVRegPair(BBI->getOperand(i + 1).getMBB(),
436                                      BBI->getOperand(i).getReg())];
437 }