097a351e30b175f1756a8c286be90ef92f2e75e6
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote by-reference arguments ------------===//
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 promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template
16 // code like the STL).
17 //
18 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // by default it refuses to scalarize aggregates which would require passing in
21 // more than three operands to the function, because passing thousands of
22 // operands for a large array or structure is unprofitable! This limit can be
23 // configured or disabled, however.
24 //
25 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
26 // stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
27 // would be best handled when and if LLVM begins supporting multiple return
28 // values from functions.
29 //
30 //===----------------------------------------------------------------------===//
31
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
37 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
38 #include "llvm/Analysis/CallGraphSCCPass.h"
39 #include "llvm/IR/CFG.h"
40 #include "llvm/IR/CallSite.h"
41 #include "llvm/IR/Constants.h"
42 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
43 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
44 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
47 #include "llvm/IR/Module.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include <set>
51 using namespace llvm;
52
53 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
54
55 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
56 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
57 STATISTIC(NumByValArgsPromoted , "Number of byval arguments promoted");
58 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
59
60 namespace {
61   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
62   ///
63   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
64     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
65       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
66       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
67     }
68
69     bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
70     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
71     explicit ArgPromotion(unsigned maxElements = 3)
72         : CallGraphSCCPass(ID), DL(nullptr), maxElements(maxElements) {
73       initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
74     }
75
76     /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
77     typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
78
79     const DataLayout *DL;
80   private:
81     CallGraphNode *PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
82     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByVal) const;
83     CallGraphNode *DoPromotion(Function *F,
84                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ArgsToPromote,
85                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ByValArgsToTransform);
86     bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
87     /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
88     unsigned maxElements;
89     DenseMap<const Function *, DISubprogram> FunctionDIs;
90   };
91 }
92
93 char ArgPromotion::ID = 0;
94 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
95                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
96 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
97 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
98 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
99                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
100
101 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned maxElements) {
102   return new ArgPromotion(maxElements);
103 }
104
105 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
106   bool Changed = false, LocalChange;
107
108   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
109   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
110
111   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
112     LocalChange = false;
113     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
114     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
115       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
116         LocalChange = true;
117         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
118       }
119     }
120     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
121   } while (LocalChange);
122   
123   return Changed;
124 }
125
126 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
127 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
128 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
129 /// calls the DoPromotion method.
130 ///
131 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
132   Function *F = CGN->getFunction();
133
134   // Make sure that it is local to this module.
135   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
136
137   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
138   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
139   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
140     if (I->getType()->isPointerTy())
141       PointerArgs.push_back(I);
142   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
143
144   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
145   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
146   // is self-recursive.
147   bool isSelfRecursive = false;
148   for (Use &U : F->uses()) {
149     CallSite CS(U.getUser());
150     // Must be a direct call.
151     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
152     
153     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
154       isSelfRecursive = true;
155   }
156   
157   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
158   // add it to ArgsToPromote.
159   SmallPtrSet<Argument*, 8> ArgsToPromote;
160   SmallPtrSet<Argument*, 8> ByValArgsToTransform;
161   for (unsigned i = 0, e = PointerArgs.size(); i != e; ++i) {
162     Argument *PtrArg = PointerArgs[i];
163     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
164
165     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
166     // pass the elements, which is always safe.  This does not apply to
167     // inalloca.
168     if (PtrArg->hasByValAttr()) {
169       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
170         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
171           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
172                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
173                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
174           continue;
175         }
176         
177         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
178         bool AllSimple = true;
179         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
180           if (!STy->getElementType(i)->isSingleValueType()) {
181             AllSimple = false;
182             break;
183           }
184         }
185
186         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
187         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
188         // the new alloca we introduce.
189         if (AllSimple) {
190           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
191           continue;
192         }
193       }
194     }
195
196     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
197     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
198     if (isSelfRecursive) {
199       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
200         bool RecursiveType = false;
201         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
202           if (STy->getElementType(i) == PtrArg->getType()) {
203             RecursiveType = true;
204             break;
205           }
206         }
207         if (RecursiveType)
208           continue;
209       }
210     }
211     
212     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
213     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr()))
214       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
215   }
216
217   // No promotable pointer arguments.
218   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
219     return nullptr;
220
221   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
222 }
223
224 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
225 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
226 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg,
227                                                     const DataLayout *DL) {
228   Function *Callee = Arg->getParent();
229
230   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
231
232   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
233   // have direct callees.
234   for (User *U : Callee->users()) {
235     CallSite CS(U);
236     assert(CS && "Should only have direct calls!");
237
238     if (!CS.getArgument(ArgNo)->isDereferenceablePointer(DL))
239       return false;
240   }
241   return true;
242 }
243
244 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
245 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
246 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
247 ///
248 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
249 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
250                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
251   if (Prefix.size() > Longer.size())
252     return false;
253   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
254 }
255
256
257 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
258 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
259                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
260     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
261     Low = Set.upper_bound(Indices);
262     if (Low != Set.begin())
263       Low--;
264     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
265     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
266     // prefix exists.
267     //
268     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
269     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
270 }
271
272 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
273 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
274 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
275 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
276 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
277 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
278                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
279   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
280   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
281   // Guard against the case where Safe is empty
282   if (Low != Safe.begin())
283     Low--;
284   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
285   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
286   // such prefix exists.
287   if (Low != Safe.end()) {
288     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
289       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
290       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
291       return;
292
293     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
294     ++Low;
295   }
296   // Insert
297   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
298   ++Low;
299   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
300   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
301   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
302     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
303     ++Low;
304     Safe.erase(Remove);
305   }
306 }
307
308 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
309 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
310 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
311 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
312 /// arguments passed in.
313 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
314                                            bool isByValOrInAlloca) const {
315   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
316
317   // Quick exit for unused arguments
318   if (Arg->use_empty())
319     return true;
320
321   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
322   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
323   //
324   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
325   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
326   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
327   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
328   // valid.
329   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
330   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
331   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
332   // original code.
333   //
334   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
335   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
336   //
337   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
338   // that the address isn't captured.
339   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
340
341   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
342   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
343   GEPIndicesSet ToPromote;
344
345   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
346   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg, DL))
347     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
348
349   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
350   // safe.
351   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
352   // Declare this here so we can reuse it
353   IndicesVector Indices;
354   for (BasicBlock::iterator I = EntryBlock->begin(), E = EntryBlock->end();
355        I != E; ++I)
356     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
357       Value *V = LI->getPointerOperand();
358       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
359         V = GEP->getPointerOperand();
360         if (V == Arg) {
361           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
362           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
363           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
364                II != IE; ++II)
365             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
366               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
367             else
368               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
369               // right away, can't promote this argument at all.
370               return false;
371
372           // Indices checked out, mark them as safe
373           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
374           Indices.clear();
375         }
376       } else if (V == Arg) {
377         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
378         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
379       }
380     }
381
382   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
383   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
384   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
385   IndicesVector Operands;
386   for (Use &U : Arg->uses()) {
387     User *UR = U.getUser();
388     Operands.clear();
389     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
390       // Don't hack volatile/atomic loads
391       if (!LI->isSimple()) return false;
392       Loads.push_back(LI);
393       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
394       Operands.push_back(0);
395     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
396       if (GEP->use_empty()) {
397         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
398         // them.
399         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
400         GEP->eraseFromParent();
401         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
402         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
403         // use?
404         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca);
405       }
406
407       // Ensure that all of the indices are constants.
408       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
409         i != e; ++i)
410         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
411           Operands.push_back(C->getSExtValue());
412         else
413           return false;  // Not a constant operand GEP!
414
415       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
416       for (User *GEPU : GEP->users())
417         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
418           // Don't hack volatile/atomic loads
419           if (!LI->isSimple()) return false;
420           Loads.push_back(LI);
421         } else {
422           // Other uses than load?
423           return false;
424         }
425     } else {
426       return false;  // Not a load or a GEP.
427     }
428
429     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
430     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
431     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
432       return false;
433
434     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
435     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
436     // to do.
437     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
438       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
439         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
440               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
441               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
442         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
443         // of elements of the aggregate.
444         return false;
445       }
446       ToPromote.insert(Operands);
447     }
448   }
449
450   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
451
452   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
453   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
454   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
455   // the function to each of the load instructions.
456
457   // Because there could be several/many load instructions, remember which
458   // blocks we know to be transparent to the load.
459   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
460
461   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
462
463   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
464     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
465     // the load itself.
466     LoadInst *Load = Loads[i];
467     BasicBlock *BB = Load->getParent();
468
469     AliasAnalysis::Location Loc = AA.getLocation(Load);
470     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Loc))
471       return false;  // Pointer is invalidated!
472
473     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
474     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
475     // loading block.
476     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
477       BasicBlock *P = *PI;
478       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*, SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> >
479              I = idf_ext_begin(P, TranspBlocks),
480              E = idf_ext_end(P, TranspBlocks); I != E; ++I)
481         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Loc))
482           return false;
483     }
484   }
485
486   // If the path from the entry of the function to each load is free of
487   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
488   // transformation!
489   return true;
490 }
491
492 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
493 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
494 /// safe to do so.
495 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
496                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ArgsToPromote,
497                               SmallPtrSet<Argument*, 8> &ByValArgsToTransform) {
498
499   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
500   // the old function, but has modified arguments.
501   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
502   std::vector<Type*> Params;
503
504   typedef std::set<IndicesVector> ScalarizeTable;
505
506   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
507   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
508   // can add one argument for each.
509   //
510   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
511   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
512   //
513   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
514
515   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
516   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
517   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
518   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
519   // of the argument that are accessed.
520   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
521
522   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
523   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
524   // attributes are lost
525   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
526   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
527
528   // Add any return attributes.
529   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
530     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
531                                               PAL.getRetAttributes()));
532
533   // First, determine the new argument list
534   unsigned ArgIndex = 1;
535   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
536        ++I, ++ArgIndex) {
537     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
538       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
539       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
540       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
541       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i)
542         Params.push_back(STy->getElementType(i));
543       ++NumByValArgsPromoted;
544     } else if (!ArgsToPromote.count(I)) {
545       // Unchanged argument
546       Params.push_back(I->getType());
547       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
548       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
549         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
550         AttributesVec.
551           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
552       }
553     } else if (I->use_empty()) {
554       // Dead argument (which are always marked as promotable)
555       ++NumArgumentsDead;
556     } else {
557       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
558       // or GEPs which are only used by loads
559
560       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
561       // (where direct loads are tracked as no indices).
562       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
563       for (User *U : I->users()) {
564         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
565         assert(isa<LoadInst>(UI) || isa<GetElementPtrInst>(UI));
566         IndicesVector Indices;
567         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
568         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
569         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
570         // and gep+loads with the GEP indices.
571         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
572              II != IE; ++II)
573           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
574         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
575         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
576           Indices.clear();
577         ArgIndices.insert(Indices);
578         LoadInst *OrigLoad;
579         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
580           OrigLoad = L;
581         else
582           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
583           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
584         OriginalLoads[std::make_pair(I, Indices)] = OrigLoad;
585       }
586
587       // Add a parameter to the function for each element passed in.
588       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
589              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
590         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
591         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
592         assert(Params.back());
593       }
594
595       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
596         ++NumArgumentsPromoted;
597       else
598         ++NumAggregatesPromoted;
599     }
600   }
601
602   // Add any function attributes.
603   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
604     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
605                                               PAL.getFnAttributes()));
606
607   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
608
609   // Construct the new function type using the new arguments.
610   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
611
612   // Create the new function body and insert it into the module.
613   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
614   NF->copyAttributesFrom(F);
615
616   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
617   auto DI = FunctionDIs.find(F);
618   if (DI != FunctionDIs.end()) {
619     DISubprogram SP = DI->second;
620     SP.replaceFunction(NF);
621     FunctionDIs.erase(DI);
622     FunctionDIs[NF] = SP;
623   }
624
625   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
626         << "From: " << *F);
627   
628   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
629   // the function.
630   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
631   AttributesVec.clear();
632
633   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
634   NF->takeName(F);
635
636   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
637   // changes.
638   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
639
640   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
641   // changes.
642   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
643
644   // Get a new callgraph node for NF.
645   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
646
647   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
648   // to pass in the loaded pointers.
649   //
650   SmallVector<Value*, 16> Args;
651   while (!F->use_empty()) {
652     CallSite CS(F->user_back());
653     assert(CS.getCalledFunction() == F);
654     Instruction *Call = CS.getInstruction();
655     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
656
657     // Add any return attributes.
658     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
659       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
660                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
661
662     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
663     // appropriate.
664     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
665     ArgIndex = 1;
666     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
667          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
668       if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
669         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
670
671         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
672           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
673           AttributesVec.
674             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
675         }
676       } else if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
677         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
678         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
679         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
680         Value *Idxs[2] = {
681               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
682         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
683           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
684           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(*AI, Idxs,
685                                                  (*AI)->getName()+"."+utostr(i),
686                                                  Call);
687           // TODO: Tell AA about the new values?
688           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
689         }
690       } else if (!I->use_empty()) {
691         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
692         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
693         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
694         // for reuse.
695         std::vector<Value*> Ops;
696         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
697                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
698           Value *V = *AI;
699           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(I, *SI)];
700           if (!SI->empty()) {
701             Ops.reserve(SI->size());
702             Type *ElTy = V->getType();
703             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->begin(),
704                  IE = SI->end(); II != IE; ++II) {
705               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
706               // This satisfies GEP constraints.
707               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
708                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
709                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
710               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
711               // Keep track of the type we're currently indexing.
712               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
713             }
714             // And create a GEP to extract those indices.
715             V = GetElementPtrInst::Create(V, Ops, V->getName()+".idx", Call);
716             Ops.clear();
717             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
718           }
719           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
720           // of the previous load.
721           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
722           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
723           // Transfer the TBAA info too.
724           newLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa,
725                                OrigLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
726           Args.push_back(newLoad);
727           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
728         }
729       }
730
731     // Push any varargs arguments on the list.
732     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
733       Args.push_back(*AI);
734       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
735         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
736         AttributesVec.
737           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
738       }
739     }
740
741     // Add any function attributes.
742     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
743       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
744                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
745
746     Instruction *New;
747     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
748       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
749                                Args, "", Call);
750       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
751       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
752                                                             AttributesVec));
753     } else {
754       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
755       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
756       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
757                                                           AttributesVec));
758       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
759         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
760     }
761     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
762     Args.clear();
763     AttributesVec.clear();
764
765     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
766     // the old call with a new one.
767     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
768
769     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
770     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
771     CalleeNode->replaceCallEdge(Call, New, NF_CGN);
772
773     if (!Call->use_empty()) {
774       Call->replaceAllUsesWith(New);
775       New->takeName(Call);
776     }
777
778     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
779     // F.
780     Call->eraseFromParent();
781   }
782
783   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
784   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
785   // function empty.
786   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
787
788   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
789   // the new arguments, also transferring over the names as well.
790   //
791   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
792        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
793     if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
794       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
795       // new version.
796       I->replaceAllUsesWith(I2);
797       I2->takeName(I);
798       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
799       ++I2;
800       continue;
801     }
802
803     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
804       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
805       // arguments into the alloca.
806       Instruction *InsertPt = NF->begin()->begin();
807
808       // Just add all the struct element types.
809       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
810       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
811       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
812       Value *Idxs[2] = {
813             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
814
815       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
816         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
817         Value *Idx = 
818           GetElementPtrInst::Create(TheAlloca, Idxs,
819                                     TheAlloca->getName()+"."+Twine(i), 
820                                     InsertPt);
821         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
822         new StoreInst(I2++, Idx, InsertPt);
823       }
824
825       // Anything that used the arg should now use the alloca.
826       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
827       TheAlloca->takeName(I);
828       AA.replaceWithNewValue(I, TheAlloca);
829
830       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
831       // the callee now uses an alloca from the caller.
832       for (User *U : TheAlloca->users()) {
833         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
834         if (!Call)
835           continue;
836         Call->setTailCall(false);
837       }
838       continue;
839     }
840
841     if (I->use_empty()) {
842       AA.deleteValue(I);
843       continue;
844     }
845
846     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
847     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
848     // using the new argument that we added.
849     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
850
851     while (!I->use_empty()) {
852       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
853         assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
854                "Load element should sort to front!");
855         I2->setName(I->getName()+".val");
856         LI->replaceAllUsesWith(I2);
857         AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
858         LI->eraseFromParent();
859         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
860               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
861       } else {
862         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
863         IndicesVector Operands;
864         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
865         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
866              II != IE; ++II)
867           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
868
869         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
870         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
871           Operands.clear();
872
873         Function::arg_iterator TheArg = I2;
874         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
875              *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
876           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
877         }
878
879         std::string NewName = I->getName();
880         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
881             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
882         }
883         NewName += ".val";
884         TheArg->setName(NewName);
885
886         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
887               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
888
889         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
890         // the argument specified by ArgNo.
891         while (!GEP->use_empty()) {
892           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
893           L->replaceAllUsesWith(TheArg);
894           AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
895           L->eraseFromParent();
896         }
897         AA.deleteValue(GEP);
898         GEP->eraseFromParent();
899       }
900     }
901
902     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
903     std::advance(I2, ArgIndices.size());
904   }
905
906   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
907   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
908
909   
910   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
911   
912   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
913   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
914   // someone else to nuke.
915   CallGraphNode *CGN = CG[F];
916   if (CGN->getNumReferences() == 0)
917     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
918   else
919     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
920   
921   return NF_CGN;
922 }
923
924 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
925   FunctionDIs = makeSubprogramMap(CG.getModule());
926   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
927 }