[PM/AA] Completely remove the AliasAnalysis::copyValue interface.
[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/Analysis/ValueTracking.h"
40 #include "llvm/IR/CFG.h"
41 #include "llvm/IR/CallSite.h"
42 #include "llvm/IR/Constants.h"
43 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
44 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
45 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
46 #include "llvm/IR/Instructions.h"
47 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
48 #include "llvm/IR/Module.h"
49 #include "llvm/Support/Debug.h"
50 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
51 #include <set>
52 using namespace llvm;
53
54 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
55
56 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
57 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
58 STATISTIC(NumByValArgsPromoted , "Number of byval arguments promoted");
59 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
60
61 namespace {
62   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
63   ///
64   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
65     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
66       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
67       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
68     }
69
70     bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
71     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
72     explicit ArgPromotion(unsigned maxElements = 3)
73         : CallGraphSCCPass(ID), maxElements(maxElements) {
74       initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
75     }
76
77     /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
78     typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
79
80   private:
81     bool isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL);
82     bool canPaddingBeAccessed(Argument *Arg);
83     CallGraphNode *PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
84     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByVal) const;
85     CallGraphNode *DoPromotion(Function *F,
86                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
87                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform);
88     
89     using llvm::Pass::doInitialization;
90     bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
91     /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
92     unsigned maxElements;
93     DenseMap<const Function *, DISubprogram *> FunctionDIs;
94   };
95 }
96
97 char ArgPromotion::ID = 0;
98 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
99                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
100 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
101 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
102 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
103                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
104
105 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned maxElements) {
106   return new ArgPromotion(maxElements);
107 }
108
109 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
110   bool Changed = false, LocalChange;
111
112   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
113     LocalChange = false;
114     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
115     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
116       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
117         LocalChange = true;
118         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
119       }
120     }
121     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
122   } while (LocalChange);
123   
124   return Changed;
125 }
126
127 /// \brief Checks if a type could have padding bytes.
128 bool ArgPromotion::isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL) {
129
130   // There is no size information, so be conservative.
131   if (!type->isSized())
132     return false;
133
134   // If the alloc size is not equal to the storage size, then there are padding
135   // bytes. For x86_fp80 on x86-64, size: 80 alloc size: 128.
136   if (DL.getTypeSizeInBits(type) != DL.getTypeAllocSizeInBits(type))
137     return false;
138
139   if (!isa<CompositeType>(type))
140     return true;
141
142   // For homogenous sequential types, check for padding within members.
143   if (SequentialType *seqTy = dyn_cast<SequentialType>(type))
144     return isa<PointerType>(seqTy) ||
145            isDenselyPacked(seqTy->getElementType(), DL);
146
147   // Check for padding within and between elements of a struct.
148   StructType *StructTy = cast<StructType>(type);
149   const StructLayout *Layout = DL.getStructLayout(StructTy);
150   uint64_t StartPos = 0;
151   for (unsigned i = 0, E = StructTy->getNumElements(); i < E; ++i) {
152     Type *ElTy = StructTy->getElementType(i);
153     if (!isDenselyPacked(ElTy, DL))
154       return false;
155     if (StartPos != Layout->getElementOffsetInBits(i))
156       return false;
157     StartPos += DL.getTypeAllocSizeInBits(ElTy);
158   }
159
160   return true;
161 }
162
163 /// \brief Checks if the padding bytes of an argument could be accessed.
164 bool ArgPromotion::canPaddingBeAccessed(Argument *arg) {
165
166   assert(arg->hasByValAttr());
167
168   // Track all the pointers to the argument to make sure they are not captured.
169   SmallPtrSet<Value *, 16> PtrValues;
170   PtrValues.insert(arg);
171
172   // Track all of the stores.
173   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
174
175   // Scan through the uses recursively to make sure the pointer is always used
176   // sanely.
177   SmallVector<Value *, 16> WorkList;
178   WorkList.insert(WorkList.end(), arg->user_begin(), arg->user_end());
179   while (!WorkList.empty()) {
180     Value *V = WorkList.back();
181     WorkList.pop_back();
182     if (isa<GetElementPtrInst>(V) || isa<PHINode>(V)) {
183       if (PtrValues.insert(V).second)
184         WorkList.insert(WorkList.end(), V->user_begin(), V->user_end());
185     } else if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(V)) {
186       Stores.push_back(Store);
187     } else if (!isa<LoadInst>(V)) {
188       return true;
189     }
190   }
191
192 // Check to make sure the pointers aren't captured
193   for (StoreInst *Store : Stores)
194     if (PtrValues.count(Store->getValueOperand()))
195       return true;
196
197   return false;
198 }
199
200 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
201 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
202 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
203 /// calls the DoPromotion method.
204 ///
205 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
206   Function *F = CGN->getFunction();
207
208   // Make sure that it is local to this module.
209   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
210
211   // Don't promote arguments for variadic functions. Adding, removing, or
212   // changing non-pack parameters can change the classification of pack
213   // parameters. Frontends encode that classification at the call site in the
214   // IR, while in the callee the classification is determined dynamically based
215   // on the number of registers consumed so far.
216   if (F->isVarArg()) return nullptr;
217
218   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
219   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
220   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
221     if (I->getType()->isPointerTy())
222       PointerArgs.push_back(I);
223   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
224
225   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
226   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
227   // is self-recursive.
228   bool isSelfRecursive = false;
229   for (Use &U : F->uses()) {
230     CallSite CS(U.getUser());
231     // Must be a direct call.
232     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
233     
234     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
235       isSelfRecursive = true;
236   }
237   
238   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
239
240   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
241   // add it to ArgsToPromote.
242   SmallPtrSet<Argument*, 8> ArgsToPromote;
243   SmallPtrSet<Argument*, 8> ByValArgsToTransform;
244   for (unsigned i = 0, e = PointerArgs.size(); i != e; ++i) {
245     Argument *PtrArg = PointerArgs[i];
246     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
247
248     // Replace sret attribute with noalias. This reduces register pressure by
249     // avoiding a register copy.
250     if (PtrArg->hasStructRetAttr()) {
251       unsigned ArgNo = PtrArg->getArgNo();
252       F->setAttributes(
253           F->getAttributes()
254               .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::StructRet)
255               .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
256       for (Use &U : F->uses()) {
257         CallSite CS(U.getUser());
258         CS.setAttributes(
259             CS.getAttributes()
260                 .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1,
261                                  Attribute::StructRet)
262                 .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
263       }
264     }
265
266     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
267     // pass the elements, which is always safe, if the passed value is densely
268     // packed or if we can prove the padding bytes are never accessed. This does
269     // not apply to inalloca.
270     bool isSafeToPromote =
271         PtrArg->hasByValAttr() &&
272         (isDenselyPacked(AgTy, DL) || !canPaddingBeAccessed(PtrArg));
273     if (isSafeToPromote) {
274       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
275         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
276           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
277                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
278                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
279           continue;
280         }
281         
282         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
283         bool AllSimple = true;
284         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
285           if (!STy->getElementType(i)->isSingleValueType()) {
286             AllSimple = false;
287             break;
288           }
289         }
290
291         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
292         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
293         // the new alloca we introduce.
294         if (AllSimple) {
295           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
296           continue;
297         }
298       }
299     }
300
301     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
302     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
303     if (isSelfRecursive) {
304       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
305         bool RecursiveType = false;
306         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
307           if (STy->getElementType(i) == PtrArg->getType()) {
308             RecursiveType = true;
309             break;
310           }
311         }
312         if (RecursiveType)
313           continue;
314       }
315     }
316     
317     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
318     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr()))
319       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
320   }
321
322   // No promotable pointer arguments.
323   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
324     return nullptr;
325
326   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
327 }
328
329 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
330 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
331 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
332   Function *Callee = Arg->getParent();
333   const DataLayout &DL = Callee->getParent()->getDataLayout();
334
335   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
336
337   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
338   // have direct callees.
339   for (User *U : Callee->users()) {
340     CallSite CS(U);
341     assert(CS && "Should only have direct calls!");
342
343     if (!isDereferenceablePointer(CS.getArgument(ArgNo), DL))
344       return false;
345   }
346   return true;
347 }
348
349 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
350 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
351 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
352 ///
353 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
354 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
355                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
356   if (Prefix.size() > Longer.size())
357     return false;
358   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
359 }
360
361
362 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
363 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
364                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
365     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
366     Low = Set.upper_bound(Indices);
367     if (Low != Set.begin())
368       Low--;
369     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
370     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
371     // prefix exists.
372     //
373     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
374     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
375 }
376
377 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
378 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
379 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
380 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
381 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
382 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
383                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
384   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
385   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
386   // Guard against the case where Safe is empty
387   if (Low != Safe.begin())
388     Low--;
389   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
390   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
391   // such prefix exists.
392   if (Low != Safe.end()) {
393     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
394       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
395       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
396       return;
397
398     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
399     ++Low;
400   }
401   // Insert
402   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
403   ++Low;
404   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
405   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
406   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
407     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
408     ++Low;
409     Safe.erase(Remove);
410   }
411 }
412
413 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
414 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
415 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
416 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
417 /// arguments passed in.
418 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
419                                            bool isByValOrInAlloca) const {
420   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
421
422   // Quick exit for unused arguments
423   if (Arg->use_empty())
424     return true;
425
426   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
427   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
428   //
429   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
430   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
431   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
432   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
433   // valid.
434   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
435   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
436   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
437   // original code.
438   //
439   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
440   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
441   //
442   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
443   // that the address isn't captured.
444   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
445
446   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
447   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
448   GEPIndicesSet ToPromote;
449
450   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
451   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg))
452     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
453
454   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
455   // safe.
456   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
457   // Declare this here so we can reuse it
458   IndicesVector Indices;
459   for (BasicBlock::iterator I = EntryBlock->begin(), E = EntryBlock->end();
460        I != E; ++I)
461     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
462       Value *V = LI->getPointerOperand();
463       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
464         V = GEP->getPointerOperand();
465         if (V == Arg) {
466           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
467           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
468           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
469                II != IE; ++II)
470             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
471               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
472             else
473               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
474               // right away, can't promote this argument at all.
475               return false;
476
477           // Indices checked out, mark them as safe
478           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
479           Indices.clear();
480         }
481       } else if (V == Arg) {
482         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
483         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
484       }
485     }
486
487   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
488   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
489   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
490   IndicesVector Operands;
491   for (Use &U : Arg->uses()) {
492     User *UR = U.getUser();
493     Operands.clear();
494     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
495       // Don't hack volatile/atomic loads
496       if (!LI->isSimple()) return false;
497       Loads.push_back(LI);
498       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
499       Operands.push_back(0);
500     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
501       if (GEP->use_empty()) {
502         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
503         // them.
504         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
505         GEP->eraseFromParent();
506         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
507         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
508         // use?
509         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca);
510       }
511
512       // Ensure that all of the indices are constants.
513       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
514         i != e; ++i)
515         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
516           Operands.push_back(C->getSExtValue());
517         else
518           return false;  // Not a constant operand GEP!
519
520       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
521       for (User *GEPU : GEP->users())
522         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
523           // Don't hack volatile/atomic loads
524           if (!LI->isSimple()) return false;
525           Loads.push_back(LI);
526         } else {
527           // Other uses than load?
528           return false;
529         }
530     } else {
531       return false;  // Not a load or a GEP.
532     }
533
534     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
535     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
536     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
537       return false;
538
539     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
540     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
541     // to do.
542     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
543       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
544         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
545               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
546               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
547         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
548         // of elements of the aggregate.
549         return false;
550       }
551       ToPromote.insert(std::move(Operands));
552     }
553   }
554
555   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
556
557   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
558   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
559   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
560   // the function to each of the load instructions.
561
562   // Because there could be several/many load instructions, remember which
563   // blocks we know to be transparent to the load.
564   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
565
566   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
567
568   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
569     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
570     // the load itself.
571     LoadInst *Load = Loads[i];
572     BasicBlock *BB = Load->getParent();
573
574     MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(Load);
575     if (AA.canInstructionRangeModRef(BB->front(), *Load, Loc,
576         AliasAnalysis::Mod))
577       return false;  // Pointer is invalidated!
578
579     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
580     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
581     // loading block.
582     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
583       for (BasicBlock *TranspBB : inverse_depth_first_ext(P, TranspBlocks))
584         if (AA.canBasicBlockModify(*TranspBB, Loc))
585           return false;
586     }
587   }
588
589   // If the path from the entry of the function to each load is free of
590   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
591   // transformation!
592   return true;
593 }
594
595 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
596 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
597 /// safe to do so.
598 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
599                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
600                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform) {
601
602   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
603   // the old function, but has modified arguments.
604   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
605   std::vector<Type*> Params;
606
607   typedef std::set<std::pair<Type *, IndicesVector>> ScalarizeTable;
608
609   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
610   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
611   // can add one argument for each.
612   //
613   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
614   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
615   //
616   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
617
618   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
619   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
620   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
621   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
622   // of the argument that are accessed.
623   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
624
625   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
626   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
627   // attributes are lost
628   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
629   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
630
631   // Add any return attributes.
632   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
633     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
634                                               PAL.getRetAttributes()));
635
636   // First, determine the new argument list
637   unsigned ArgIndex = 1;
638   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
639        ++I, ++ArgIndex) {
640     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
641       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
642       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
643       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
644       Params.insert(Params.end(), STy->element_begin(), STy->element_end());
645       ++NumByValArgsPromoted;
646     } else if (!ArgsToPromote.count(I)) {
647       // Unchanged argument
648       Params.push_back(I->getType());
649       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
650       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
651         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
652         AttributesVec.
653           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
654       }
655     } else if (I->use_empty()) {
656       // Dead argument (which are always marked as promotable)
657       ++NumArgumentsDead;
658     } else {
659       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
660       // or GEPs which are only used by loads
661
662       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
663       // (where direct loads are tracked as no indices).
664       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
665       for (User *U : I->users()) {
666         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
667         Type *SrcTy;
668         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
669           SrcTy = L->getType();
670         else
671           SrcTy = cast<GetElementPtrInst>(UI)->getSourceElementType();
672         IndicesVector Indices;
673         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
674         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
675         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
676         // and gep+loads with the GEP indices.
677         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
678              II != IE; ++II)
679           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
680         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
681         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
682           Indices.clear();
683         ArgIndices.insert(std::make_pair(SrcTy, Indices));
684         LoadInst *OrigLoad;
685         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
686           OrigLoad = L;
687         else
688           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
689           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
690         OriginalLoads[std::make_pair(I, Indices)] = OrigLoad;
691       }
692
693       // Add a parameter to the function for each element passed in.
694       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
695              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
696         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
697         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(
698             cast<PointerType>(I->getType()->getScalarType())->getElementType(),
699             SI->second));
700         assert(Params.back());
701       }
702
703       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->second.empty())
704         ++NumArgumentsPromoted;
705       else
706         ++NumAggregatesPromoted;
707     }
708   }
709
710   // Add any function attributes.
711   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
712     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
713                                               PAL.getFnAttributes()));
714
715   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
716
717   // Construct the new function type using the new arguments.
718   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
719
720   // Create the new function body and insert it into the module.
721   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
722   NF->copyAttributesFrom(F);
723
724   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
725   auto DI = FunctionDIs.find(F);
726   if (DI != FunctionDIs.end()) {
727     DISubprogram *SP = DI->second;
728     SP->replaceFunction(NF);
729     // Ensure the map is updated so it can be reused on subsequent argument
730     // promotions of the same function.
731     FunctionDIs.erase(DI);
732     FunctionDIs[NF] = SP;
733   }
734
735   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
736         << "From: " << *F);
737   
738   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
739   // the function.
740   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
741   AttributesVec.clear();
742
743   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
744   NF->takeName(F);
745
746   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
747   // changes.
748   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
749
750   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
751   // changes.
752   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
753
754   // Get a new callgraph node for NF.
755   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
756
757   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
758   // to pass in the loaded pointers.
759   //
760   SmallVector<Value*, 16> Args;
761   while (!F->use_empty()) {
762     CallSite CS(F->user_back());
763     assert(CS.getCalledFunction() == F);
764     Instruction *Call = CS.getInstruction();
765     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
766
767     // Add any return attributes.
768     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
769       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
770                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
771
772     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
773     // appropriate.
774     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
775     ArgIndex = 1;
776     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
777          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
778       if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
779         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
780
781         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
782           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
783           AttributesVec.
784             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
785         }
786       } else if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
787         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
788         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
789         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
790         Value *Idxs[2] = {
791               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
792         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
793           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
794           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
795               STy, *AI, Idxs, (*AI)->getName() + "." + Twine(i), Call);
796           // TODO: Tell AA about the new values?
797           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
798         }
799       } else if (!I->use_empty()) {
800         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
801         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
802         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
803         // for reuse.
804         std::vector<Value*> Ops;
805         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
806                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
807           Value *V = *AI;
808           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(I, SI->second)];
809           if (!SI->second.empty()) {
810             Ops.reserve(SI->second.size());
811             Type *ElTy = V->getType();
812             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->second.begin(),
813                                                IE = SI->second.end();
814                  II != IE; ++II) {
815               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
816               // This satisfies GEP constraints.
817               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
818                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
819                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
820               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
821               // Keep track of the type we're currently indexing.
822               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
823             }
824             // And create a GEP to extract those indices.
825             V = GetElementPtrInst::Create(SI->first, V, Ops,
826                                           V->getName() + ".idx", Call);
827             Ops.clear();
828           }
829           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
830           // of the previous load.
831           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
832           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
833           // Transfer the AA info too.
834           AAMDNodes AAInfo;
835           OrigLoad->getAAMetadata(AAInfo);
836           newLoad->setAAMetadata(AAInfo);
837
838           Args.push_back(newLoad);
839         }
840       }
841
842     // Push any varargs arguments on the list.
843     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
844       Args.push_back(*AI);
845       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
846         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
847         AttributesVec.
848           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
849       }
850     }
851
852     // Add any function attributes.
853     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
854       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
855                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
856
857     Instruction *New;
858     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
859       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
860                                Args, "", Call);
861       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
862       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
863                                                             AttributesVec));
864     } else {
865       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
866       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
867       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
868                                                           AttributesVec));
869       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
870         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
871     }
872     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
873     Args.clear();
874     AttributesVec.clear();
875
876     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
877     // the old call with a new one.
878     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
879
880     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
881     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
882     CalleeNode->replaceCallEdge(CS, CallSite(New), NF_CGN);
883
884     if (!Call->use_empty()) {
885       Call->replaceAllUsesWith(New);
886       New->takeName(Call);
887     }
888
889     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
890     // F.
891     Call->eraseFromParent();
892   }
893
894   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
895   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
896   // function empty.
897   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
898
899   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
900   // the new arguments, also transferring over the names as well.
901   //
902   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
903        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
904     if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
905       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
906       // new version.
907       I->replaceAllUsesWith(I2);
908       I2->takeName(I);
909       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
910       ++I2;
911       continue;
912     }
913
914     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
915       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
916       // arguments into the alloca.
917       Instruction *InsertPt = NF->begin()->begin();
918
919       // Just add all the struct element types.
920       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
921       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
922       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
923       Value *Idxs[2] = {
924             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
925
926       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
927         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
928         Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
929             AgTy, TheAlloca, Idxs, TheAlloca->getName() + "." + Twine(i),
930             InsertPt);
931         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
932         new StoreInst(I2++, Idx, InsertPt);
933       }
934
935       // Anything that used the arg should now use the alloca.
936       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
937       TheAlloca->takeName(I);
938       AA.replaceWithNewValue(I, TheAlloca);
939
940       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
941       // the callee now uses an alloca from the caller.
942       for (User *U : TheAlloca->users()) {
943         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
944         if (!Call)
945           continue;
946         Call->setTailCall(false);
947       }
948       continue;
949     }
950
951     if (I->use_empty()) {
952       AA.deleteValue(I);
953       continue;
954     }
955
956     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
957     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
958     // using the new argument that we added.
959     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
960
961     while (!I->use_empty()) {
962       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
963         assert(ArgIndices.begin()->second.empty() &&
964                "Load element should sort to front!");
965         I2->setName(I->getName()+".val");
966         LI->replaceAllUsesWith(I2);
967         AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
968         LI->eraseFromParent();
969         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
970               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
971       } else {
972         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
973         IndicesVector Operands;
974         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
975         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
976              II != IE; ++II)
977           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
978
979         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
980         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
981           Operands.clear();
982
983         Function::arg_iterator TheArg = I2;
984         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
985              It->second != Operands; ++It, ++TheArg) {
986           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
987         }
988
989         std::string NewName = I->getName();
990         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
991             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
992         }
993         NewName += ".val";
994         TheArg->setName(NewName);
995
996         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
997               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
998
999         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
1000         // the argument specified by ArgNo.
1001         while (!GEP->use_empty()) {
1002           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
1003           L->replaceAllUsesWith(TheArg);
1004           AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
1005           L->eraseFromParent();
1006         }
1007         AA.deleteValue(GEP);
1008         GEP->eraseFromParent();
1009       }
1010     }
1011
1012     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
1013     std::advance(I2, ArgIndices.size());
1014   }
1015
1016   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
1017   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
1018
1019   
1020   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
1021   
1022   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
1023   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
1024   // someone else to nuke.
1025   CallGraphNode *CGN = CG[F];
1026   if (CGN->getNumReferences() == 0)
1027     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
1028   else
1029     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
1030   
1031   return NF_CGN;
1032 }
1033
1034 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
1035   FunctionDIs = makeSubprogramMap(CG.getModule());
1036   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
1037 }