Remove caching in FunctionImport: a Module can't be reused after being linked from
[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/AssumptionCache.h"
38 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
40 #include "llvm/Analysis/CallGraphSCCPass.h"
41 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
42 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
43 #include "llvm/IR/CFG.h"
44 #include "llvm/IR/CallSite.h"
45 #include "llvm/IR/Constants.h"
46 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
47 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
48 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
49 #include "llvm/IR/Instructions.h"
50 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
51 #include "llvm/IR/Module.h"
52 #include "llvm/Support/Debug.h"
53 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
54 #include <set>
55 using namespace llvm;
56
57 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
58
59 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
60 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
61 STATISTIC(NumByValArgsPromoted , "Number of byval arguments promoted");
62 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
63
64 namespace {
65   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
66   ///
67   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
68     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
69       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
70       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
71       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
72     }
73
74     bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
75     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
76     explicit ArgPromotion(unsigned maxElements = 3)
77         : CallGraphSCCPass(ID), maxElements(maxElements) {
78       initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
79     }
80
81     /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
82     typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
83
84   private:
85     bool isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL);
86     bool canPaddingBeAccessed(Argument *Arg);
87     CallGraphNode *PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
88     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByVal,
89                                  AAResults &AAR) const;
90     CallGraphNode *DoPromotion(Function *F,
91                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
92                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform);
93     
94     using llvm::Pass::doInitialization;
95     bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
96     /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
97     unsigned maxElements;
98   };
99 }
100
101 char ArgPromotion::ID = 0;
102 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
103                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
104 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
105 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
106 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
107 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
108                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
109
110 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned maxElements) {
111   return new ArgPromotion(maxElements);
112 }
113
114 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
115   bool Changed = false, LocalChange;
116
117   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
118     LocalChange = false;
119     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
120     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
121       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
122         LocalChange = true;
123         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
124       }
125     }
126     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
127   } while (LocalChange);
128   
129   return Changed;
130 }
131
132 /// \brief Checks if a type could have padding bytes.
133 bool ArgPromotion::isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL) {
134
135   // There is no size information, so be conservative.
136   if (!type->isSized())
137     return false;
138
139   // If the alloc size is not equal to the storage size, then there are padding
140   // bytes. For x86_fp80 on x86-64, size: 80 alloc size: 128.
141   if (DL.getTypeSizeInBits(type) != DL.getTypeAllocSizeInBits(type))
142     return false;
143
144   if (!isa<CompositeType>(type))
145     return true;
146
147   // For homogenous sequential types, check for padding within members.
148   if (SequentialType *seqTy = dyn_cast<SequentialType>(type))
149     return isa<PointerType>(seqTy) ||
150            isDenselyPacked(seqTy->getElementType(), DL);
151
152   // Check for padding within and between elements of a struct.
153   StructType *StructTy = cast<StructType>(type);
154   const StructLayout *Layout = DL.getStructLayout(StructTy);
155   uint64_t StartPos = 0;
156   for (unsigned i = 0, E = StructTy->getNumElements(); i < E; ++i) {
157     Type *ElTy = StructTy->getElementType(i);
158     if (!isDenselyPacked(ElTy, DL))
159       return false;
160     if (StartPos != Layout->getElementOffsetInBits(i))
161       return false;
162     StartPos += DL.getTypeAllocSizeInBits(ElTy);
163   }
164
165   return true;
166 }
167
168 /// \brief Checks if the padding bytes of an argument could be accessed.
169 bool ArgPromotion::canPaddingBeAccessed(Argument *arg) {
170
171   assert(arg->hasByValAttr());
172
173   // Track all the pointers to the argument to make sure they are not captured.
174   SmallPtrSet<Value *, 16> PtrValues;
175   PtrValues.insert(arg);
176
177   // Track all of the stores.
178   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
179
180   // Scan through the uses recursively to make sure the pointer is always used
181   // sanely.
182   SmallVector<Value *, 16> WorkList;
183   WorkList.insert(WorkList.end(), arg->user_begin(), arg->user_end());
184   while (!WorkList.empty()) {
185     Value *V = WorkList.back();
186     WorkList.pop_back();
187     if (isa<GetElementPtrInst>(V) || isa<PHINode>(V)) {
188       if (PtrValues.insert(V).second)
189         WorkList.insert(WorkList.end(), V->user_begin(), V->user_end());
190     } else if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(V)) {
191       Stores.push_back(Store);
192     } else if (!isa<LoadInst>(V)) {
193       return true;
194     }
195   }
196
197 // Check to make sure the pointers aren't captured
198   for (StoreInst *Store : Stores)
199     if (PtrValues.count(Store->getValueOperand()))
200       return true;
201
202   return false;
203 }
204
205 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
206 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
207 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
208 /// calls the DoPromotion method.
209 ///
210 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
211   Function *F = CGN->getFunction();
212
213   // Make sure that it is local to this module.
214   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
215
216   // Don't promote arguments for variadic functions. Adding, removing, or
217   // changing non-pack parameters can change the classification of pack
218   // parameters. Frontends encode that classification at the call site in the
219   // IR, while in the callee the classification is determined dynamically based
220   // on the number of registers consumed so far.
221   if (F->isVarArg()) return nullptr;
222
223   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
224   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
225   for (Argument &I : F->args())
226     if (I.getType()->isPointerTy())
227       PointerArgs.push_back(&I);
228   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
229
230   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
231   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
232   // is self-recursive.
233   bool isSelfRecursive = false;
234   for (Use &U : F->uses()) {
235     CallSite CS(U.getUser());
236     // Must be a direct call.
237     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
238     
239     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
240       isSelfRecursive = true;
241   }
242   
243   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
244
245   // We need to manually construct BasicAA directly in order to disable its use
246   // of other function analyses.
247   BasicAAResult BAR(createLegacyPMBasicAAResult(*this, *F));
248
249   // Construct our own AA results for this function. We do this manually to
250   // work around the limitations of the legacy pass manager.
251   AAResults AAR(createLegacyPMAAResults(*this, *F, BAR));
252
253   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
254   // add it to ArgsToPromote.
255   SmallPtrSet<Argument*, 8> ArgsToPromote;
256   SmallPtrSet<Argument*, 8> ByValArgsToTransform;
257   for (unsigned i = 0, e = PointerArgs.size(); i != e; ++i) {
258     Argument *PtrArg = PointerArgs[i];
259     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
260
261     // Replace sret attribute with noalias. This reduces register pressure by
262     // avoiding a register copy.
263     if (PtrArg->hasStructRetAttr()) {
264       unsigned ArgNo = PtrArg->getArgNo();
265       F->setAttributes(
266           F->getAttributes()
267               .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::StructRet)
268               .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
269       for (Use &U : F->uses()) {
270         CallSite CS(U.getUser());
271         CS.setAttributes(
272             CS.getAttributes()
273                 .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1,
274                                  Attribute::StructRet)
275                 .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
276       }
277     }
278
279     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
280     // pass the elements, which is always safe, if the passed value is densely
281     // packed or if we can prove the padding bytes are never accessed. This does
282     // not apply to inalloca.
283     bool isSafeToPromote =
284         PtrArg->hasByValAttr() &&
285         (isDenselyPacked(AgTy, DL) || !canPaddingBeAccessed(PtrArg));
286     if (isSafeToPromote) {
287       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
288         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
289           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
290                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
291                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
292           continue;
293         }
294         
295         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
296         bool AllSimple = true;
297         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
298           if (!EltTy->isSingleValueType()) {
299             AllSimple = false;
300             break;
301           }
302         }
303
304         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
305         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
306         // the new alloca we introduce.
307         if (AllSimple) {
308           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
309           continue;
310         }
311       }
312     }
313
314     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
315     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
316     if (isSelfRecursive) {
317       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
318         bool RecursiveType = false;
319         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
320           if (EltTy == PtrArg->getType()) {
321             RecursiveType = true;
322             break;
323           }
324         }
325         if (RecursiveType)
326           continue;
327       }
328     }
329     
330     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
331     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr(), AAR))
332       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
333   }
334
335   // No promotable pointer arguments.
336   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
337     return nullptr;
338
339   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
340 }
341
342 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
343 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
344 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
345   Function *Callee = Arg->getParent();
346   const DataLayout &DL = Callee->getParent()->getDataLayout();
347
348   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
349
350   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
351   // have direct callees.
352   for (User *U : Callee->users()) {
353     CallSite CS(U);
354     assert(CS && "Should only have direct calls!");
355
356     if (!isDereferenceablePointer(CS.getArgument(ArgNo), DL))
357       return false;
358   }
359   return true;
360 }
361
362 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
363 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
364 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
365 ///
366 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
367 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
368                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
369   if (Prefix.size() > Longer.size())
370     return false;
371   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
372 }
373
374
375 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
376 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
377                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
378     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
379     Low = Set.upper_bound(Indices);
380     if (Low != Set.begin())
381       Low--;
382     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
383     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
384     // prefix exists.
385     //
386     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
387     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
388 }
389
390 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
391 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
392 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
393 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
394 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
395 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
396                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
397   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
398   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
399   // Guard against the case where Safe is empty
400   if (Low != Safe.begin())
401     Low--;
402   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
403   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
404   // such prefix exists.
405   if (Low != Safe.end()) {
406     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
407       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
408       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
409       return;
410
411     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
412     ++Low;
413   }
414   // Insert
415   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
416   ++Low;
417   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
418   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
419   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
420     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
421     ++Low;
422     Safe.erase(Remove);
423   }
424 }
425
426 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
427 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
428 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
429 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
430 /// arguments passed in.
431 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
432                                            bool isByValOrInAlloca,
433                                            AAResults &AAR) const {
434   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
435
436   // Quick exit for unused arguments
437   if (Arg->use_empty())
438     return true;
439
440   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
441   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
442   //
443   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
444   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
445   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
446   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
447   // valid.
448   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
449   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
450   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
451   // original code.
452   //
453   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
454   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
455   //
456   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
457   // that the address isn't captured.
458   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
459
460   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
461   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
462   GEPIndicesSet ToPromote;
463
464   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
465   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg))
466     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
467
468   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
469   // safe.
470   BasicBlock &EntryBlock = Arg->getParent()->front();
471   // Declare this here so we can reuse it
472   IndicesVector Indices;
473   for (Instruction &I : EntryBlock)
474     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
475       Value *V = LI->getPointerOperand();
476       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
477         V = GEP->getPointerOperand();
478         if (V == Arg) {
479           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
480           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
481           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
482                II != IE; ++II)
483             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
484               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
485             else
486               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
487               // right away, can't promote this argument at all.
488               return false;
489
490           // Indices checked out, mark them as safe
491           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
492           Indices.clear();
493         }
494       } else if (V == Arg) {
495         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
496         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
497       }
498     }
499
500   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
501   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
502   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
503   IndicesVector Operands;
504   for (Use &U : Arg->uses()) {
505     User *UR = U.getUser();
506     Operands.clear();
507     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
508       // Don't hack volatile/atomic loads
509       if (!LI->isSimple()) return false;
510       Loads.push_back(LI);
511       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
512       Operands.push_back(0);
513     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
514       if (GEP->use_empty()) {
515         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
516         // them.
517         GEP->eraseFromParent();
518         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
519         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
520         // use?
521         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca, AAR);
522       }
523
524       // Ensure that all of the indices are constants.
525       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
526         i != e; ++i)
527         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
528           Operands.push_back(C->getSExtValue());
529         else
530           return false;  // Not a constant operand GEP!
531
532       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
533       for (User *GEPU : GEP->users())
534         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
535           // Don't hack volatile/atomic loads
536           if (!LI->isSimple()) return false;
537           Loads.push_back(LI);
538         } else {
539           // Other uses than load?
540           return false;
541         }
542     } else {
543       return false;  // Not a load or a GEP.
544     }
545
546     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
547     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
548     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
549       return false;
550
551     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
552     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
553     // to do.
554     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
555       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
556         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
557               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
558               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
559         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
560         // of elements of the aggregate.
561         return false;
562       }
563       ToPromote.insert(std::move(Operands));
564     }
565   }
566
567   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
568
569   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
570   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
571   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
572   // the function to each of the load instructions.
573
574   // Because there could be several/many load instructions, remember which
575   // blocks we know to be transparent to the load.
576   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
577
578   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
579     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
580     // the load itself.
581     LoadInst *Load = Loads[i];
582     BasicBlock *BB = Load->getParent();
583
584     MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(Load);
585     if (AAR.canInstructionRangeModRef(BB->front(), *Load, Loc, MRI_Mod))
586       return false;  // Pointer is invalidated!
587
588     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
589     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
590     // loading block.
591     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
592       for (BasicBlock *TranspBB : inverse_depth_first_ext(P, TranspBlocks))
593         if (AAR.canBasicBlockModify(*TranspBB, Loc))
594           return false;
595     }
596   }
597
598   // If the path from the entry of the function to each load is free of
599   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
600   // transformation!
601   return true;
602 }
603
604 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
605 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
606 /// safe to do so.
607 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
608                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
609                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform) {
610
611   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
612   // the old function, but has modified arguments.
613   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
614   std::vector<Type*> Params;
615
616   typedef std::set<std::pair<Type *, IndicesVector>> ScalarizeTable;
617
618   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
619   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
620   // can add one argument for each.
621   //
622   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
623   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
624   //
625   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
626
627   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
628   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
629   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
630   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
631   // of the argument that are accessed.
632   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
633
634   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
635   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
636   // attributes are lost
637   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
638   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
639
640   // Add any return attributes.
641   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
642     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
643                                               PAL.getRetAttributes()));
644
645   // First, determine the new argument list
646   unsigned ArgIndex = 1;
647   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
648        ++I, ++ArgIndex) {
649     if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
650       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
651       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
652       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
653       Params.insert(Params.end(), STy->element_begin(), STy->element_end());
654       ++NumByValArgsPromoted;
655     } else if (!ArgsToPromote.count(&*I)) {
656       // Unchanged argument
657       Params.push_back(I->getType());
658       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
659       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
660         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
661         AttributesVec.
662           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
663       }
664     } else if (I->use_empty()) {
665       // Dead argument (which are always marked as promotable)
666       ++NumArgumentsDead;
667     } else {
668       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
669       // or GEPs which are only used by loads
670
671       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
672       // (where direct loads are tracked as no indices).
673       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
674       for (User *U : I->users()) {
675         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
676         Type *SrcTy;
677         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
678           SrcTy = L->getType();
679         else
680           SrcTy = cast<GetElementPtrInst>(UI)->getSourceElementType();
681         IndicesVector Indices;
682         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
683         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
684         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
685         // and gep+loads with the GEP indices.
686         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
687              II != IE; ++II)
688           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
689         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
690         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
691           Indices.clear();
692         ArgIndices.insert(std::make_pair(SrcTy, Indices));
693         LoadInst *OrigLoad;
694         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
695           OrigLoad = L;
696         else
697           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
698           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
699         OriginalLoads[std::make_pair(&*I, Indices)] = OrigLoad;
700       }
701
702       // Add a parameter to the function for each element passed in.
703       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
704              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
705         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
706         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(
707             cast<PointerType>(I->getType()->getScalarType())->getElementType(),
708             SI->second));
709         assert(Params.back());
710       }
711
712       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->second.empty())
713         ++NumArgumentsPromoted;
714       else
715         ++NumAggregatesPromoted;
716     }
717   }
718
719   // Add any function attributes.
720   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
721     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
722                                               PAL.getFnAttributes()));
723
724   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
725
726   // Construct the new function type using the new arguments.
727   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
728
729   // Create the new function body and insert it into the module.
730   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
731   NF->copyAttributesFrom(F);
732
733   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
734   NF->setSubprogram(F->getSubprogram());
735   F->setSubprogram(nullptr);
736
737   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
738         << "From: " << *F);
739   
740   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
741   // the function.
742   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
743   AttributesVec.clear();
744
745   F->getParent()->getFunctionList().insert(F->getIterator(), NF);
746   NF->takeName(F);
747
748   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
749   // changes.
750   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
751
752   // Get a new callgraph node for NF.
753   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
754
755   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
756   // to pass in the loaded pointers.
757   //
758   SmallVector<Value*, 16> Args;
759   while (!F->use_empty()) {
760     CallSite CS(F->user_back());
761     assert(CS.getCalledFunction() == F);
762     Instruction *Call = CS.getInstruction();
763     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
764
765     // Add any return attributes.
766     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
767       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
768                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
769
770     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
771     // appropriate.
772     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
773     ArgIndex = 1;
774     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
775          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
776       if (!ArgsToPromote.count(&*I) && !ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
777         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
778
779         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
780           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
781           AttributesVec.
782             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
783         }
784       } else if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
785         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
786         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
787         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
788         Value *Idxs[2] = {
789               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
790         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
791           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
792           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
793               STy, *AI, Idxs, (*AI)->getName() + "." + Twine(i), Call);
794           // TODO: Tell AA about the new values?
795           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
796         }
797       } else if (!I->use_empty()) {
798         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
799         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
800         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
801         // for reuse.
802         std::vector<Value*> Ops;
803         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
804                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
805           Value *V = *AI;
806           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(&*I, SI->second)];
807           if (!SI->second.empty()) {
808             Ops.reserve(SI->second.size());
809             Type *ElTy = V->getType();
810             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->second.begin(),
811                                                IE = SI->second.end();
812                  II != IE; ++II) {
813               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
814               // This satisfies GEP constraints.
815               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
816                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
817                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
818               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
819               // Keep track of the type we're currently indexing.
820               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
821             }
822             // And create a GEP to extract those indices.
823             V = GetElementPtrInst::Create(SI->first, V, Ops,
824                                           V->getName() + ".idx", Call);
825             Ops.clear();
826           }
827           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
828           // of the previous load.
829           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
830           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
831           // Transfer the AA info too.
832           AAMDNodes AAInfo;
833           OrigLoad->getAAMetadata(AAInfo);
834           newLoad->setAAMetadata(AAInfo);
835
836           Args.push_back(newLoad);
837         }
838       }
839
840     // Push any varargs arguments on the list.
841     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
842       Args.push_back(*AI);
843       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
844         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
845         AttributesVec.
846           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
847       }
848     }
849
850     // Add any function attributes.
851     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
852       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
853                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
854
855     Instruction *New;
856     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
857       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
858                                Args, "", Call);
859       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
860       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
861                                                             AttributesVec));
862     } else {
863       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
864       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
865       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
866                                                           AttributesVec));
867       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
868         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
869     }
870     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
871     Args.clear();
872     AttributesVec.clear();
873
874     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
875     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
876     CalleeNode->replaceCallEdge(CS, CallSite(New), NF_CGN);
877
878     if (!Call->use_empty()) {
879       Call->replaceAllUsesWith(New);
880       New->takeName(Call);
881     }
882
883     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
884     // F.
885     Call->eraseFromParent();
886   }
887
888   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
889   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
890   // function empty.
891   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
892
893   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
894   // the new arguments, also transferring over the names as well.
895   //
896   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
897        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
898     if (!ArgsToPromote.count(&*I) && !ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
899       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
900       // new version.
901       I->replaceAllUsesWith(&*I2);
902       I2->takeName(&*I);
903       ++I2;
904       continue;
905     }
906
907     if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
908       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
909       // arguments into the alloca.
910       Instruction *InsertPt = &NF->begin()->front();
911
912       // Just add all the struct element types.
913       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
914       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
915       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
916       Value *Idxs[2] = {
917             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
918
919       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
920         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
921         Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
922             AgTy, TheAlloca, Idxs, TheAlloca->getName() + "." + Twine(i),
923             InsertPt);
924         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
925         new StoreInst(&*I2++, Idx, InsertPt);
926       }
927
928       // Anything that used the arg should now use the alloca.
929       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
930       TheAlloca->takeName(&*I);
931
932       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
933       // the callee now uses an alloca from the caller.
934       for (User *U : TheAlloca->users()) {
935         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
936         if (!Call)
937           continue;
938         Call->setTailCall(false);
939       }
940       continue;
941     }
942
943     if (I->use_empty())
944       continue;
945
946     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
947     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
948     // using the new argument that we added.
949     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
950
951     while (!I->use_empty()) {
952       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
953         assert(ArgIndices.begin()->second.empty() &&
954                "Load element should sort to front!");
955         I2->setName(I->getName()+".val");
956         LI->replaceAllUsesWith(&*I2);
957         LI->eraseFromParent();
958         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
959               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
960       } else {
961         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
962         IndicesVector Operands;
963         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
964         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
965              II != IE; ++II)
966           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
967
968         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
969         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
970           Operands.clear();
971
972         Function::arg_iterator TheArg = I2;
973         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
974              It->second != Operands; ++It, ++TheArg) {
975           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
976         }
977
978         std::string NewName = I->getName();
979         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
980             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
981         }
982         NewName += ".val";
983         TheArg->setName(NewName);
984
985         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
986               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
987
988         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
989         // the argument specified by ArgNo.
990         while (!GEP->use_empty()) {
991           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
992           L->replaceAllUsesWith(&*TheArg);
993           L->eraseFromParent();
994         }
995         GEP->eraseFromParent();
996       }
997     }
998
999     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
1000     std::advance(I2, ArgIndices.size());
1001   }
1002
1003   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
1004   
1005   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
1006   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
1007   // someone else to nuke.
1008   CallGraphNode *CGN = CG[F];
1009   if (CGN->getNumReferences() == 0)
1010     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
1011   else
1012     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
1013   
1014   return NF_CGN;
1015 }
1016
1017 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
1018   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
1019 }