52b800da4f248fc07694d7bae81b405bf65a016a
[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     bool isDenselyPacked(Type *type);
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   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
113   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
114
115   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
116     LocalChange = false;
117     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
118     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
119       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
120         LocalChange = true;
121         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
122       }
123     }
124     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
125   } while (LocalChange);
126   
127   return Changed;
128 }
129
130 /// \brief Checks if a type could have padding bytes.
131 bool ArgPromotion::isDenselyPacked(Type *type) {
132
133   // There is no size information, so be conservative.
134   if (!type->isSized())
135     return false;
136
137   // If the alloc size is not equal to the storage size, then there are padding
138   // bytes. For x86_fp80 on x86-64, size: 80 alloc size: 128.
139   if (!DL || DL->getTypeSizeInBits(type) != DL->getTypeAllocSizeInBits(type))
140     return false;
141
142   if (!isa<CompositeType>(type))
143     return true;
144
145   // For homogenous sequential types, check for padding within members.
146   if (SequentialType *seqTy = dyn_cast<SequentialType>(type))
147     return isa<PointerType>(seqTy) || isDenselyPacked(seqTy->getElementType());
148
149   // Check for padding within and between elements of a struct.
150   StructType *StructTy = cast<StructType>(type);
151   const StructLayout *Layout = DL->getStructLayout(StructTy);
152   uint64_t StartPos = 0;
153   for (unsigned i = 0, E = StructTy->getNumElements(); i < E; ++i) {
154     Type *ElTy = StructTy->getElementType(i);
155     if (!isDenselyPacked(ElTy))
156       return false;
157     if (StartPos != Layout->getElementOffsetInBits(i))
158       return false;
159     StartPos += DL->getTypeAllocSizeInBits(ElTy);
160   }
161
162   return true;
163 }
164
165 /// \brief Checks if the padding bytes of an argument could be accessed.
166 bool ArgPromotion::canPaddingBeAccessed(Argument *arg) {
167
168   assert(arg->hasByValAttr());
169
170   // Track all the pointers to the argument to make sure they are not captured.
171   SmallPtrSet<Value *, 16> PtrValues;
172   PtrValues.insert(arg);
173
174   // Track all of the stores.
175   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
176
177   // Scan through the uses recursively to make sure the pointer is always used
178   // sanely.
179   SmallVector<Value *, 16> WorkList;
180   WorkList.insert(WorkList.end(), arg->user_begin(), arg->user_end());
181   while (!WorkList.empty()) {
182     Value *V = WorkList.back();
183     WorkList.pop_back();
184     if (isa<GetElementPtrInst>(V) || isa<PHINode>(V)) {
185       if (PtrValues.insert(V).second)
186         WorkList.insert(WorkList.end(), V->user_begin(), V->user_end());
187     } else if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(V)) {
188       Stores.push_back(Store);
189     } else if (!isa<LoadInst>(V)) {
190       return true;
191     }
192   }
193
194 // Check to make sure the pointers aren't captured
195   for (StoreInst *Store : Stores)
196     if (PtrValues.count(Store->getValueOperand()))
197       return true;
198
199   return false;
200 }
201
202 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
203 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
204 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
205 /// calls the DoPromotion method.
206 ///
207 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
208   Function *F = CGN->getFunction();
209
210   // Make sure that it is local to this module.
211   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
212
213   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
214   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
215   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
216     if (I->getType()->isPointerTy())
217       PointerArgs.push_back(I);
218   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
219
220   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
221   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
222   // is self-recursive.
223   bool isSelfRecursive = false;
224   for (Use &U : F->uses()) {
225     CallSite CS(U.getUser());
226     // Must be a direct call.
227     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
228     
229     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
230       isSelfRecursive = true;
231   }
232   
233   // Don't promote arguments for variadic functions. Adding, removing, or
234   // changing non-pack parameters can change the classification of pack
235   // parameters. Frontends encode that classification at the call site in the
236   // IR, while in the callee the classification is determined dynamically based
237   // on the number of registers consumed so far.
238   if (F->isVarArg()) return nullptr;
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     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
249     // pass the elements, which is always safe, if the passed value is densely
250     // packed or if we can prove the padding bytes are never accessed. This does
251     // not apply to inalloca.
252     bool isSafeToPromote =
253       PtrArg->hasByValAttr() &&
254       (isDenselyPacked(AgTy) || !canPaddingBeAccessed(PtrArg));
255     if (isSafeToPromote) {
256       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
257         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
258           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
259                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
260                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
261           continue;
262         }
263         
264         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
265         bool AllSimple = true;
266         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
267           if (!STy->getElementType(i)->isSingleValueType()) {
268             AllSimple = false;
269             break;
270           }
271         }
272
273         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
274         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
275         // the new alloca we introduce.
276         if (AllSimple) {
277           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
278           continue;
279         }
280       }
281     }
282
283     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
284     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
285     if (isSelfRecursive) {
286       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
287         bool RecursiveType = false;
288         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
289           if (STy->getElementType(i) == PtrArg->getType()) {
290             RecursiveType = true;
291             break;
292           }
293         }
294         if (RecursiveType)
295           continue;
296       }
297     }
298     
299     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
300     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr()))
301       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
302   }
303
304   // No promotable pointer arguments.
305   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
306     return nullptr;
307
308   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
309 }
310
311 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
312 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
313 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg,
314                                                     const DataLayout *DL) {
315   Function *Callee = Arg->getParent();
316
317   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
318
319   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
320   // have direct callees.
321   for (User *U : Callee->users()) {
322     CallSite CS(U);
323     assert(CS && "Should only have direct calls!");
324
325     if (!CS.getArgument(ArgNo)->isDereferenceablePointer(DL))
326       return false;
327   }
328   return true;
329 }
330
331 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
332 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
333 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
334 ///
335 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
336 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
337                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
338   if (Prefix.size() > Longer.size())
339     return false;
340   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
341 }
342
343
344 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
345 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
346                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
347     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
348     Low = Set.upper_bound(Indices);
349     if (Low != Set.begin())
350       Low--;
351     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
352     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
353     // prefix exists.
354     //
355     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
356     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
357 }
358
359 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
360 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
361 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
362 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
363 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
364 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
365                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
366   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
367   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
368   // Guard against the case where Safe is empty
369   if (Low != Safe.begin())
370     Low--;
371   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
372   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
373   // such prefix exists.
374   if (Low != Safe.end()) {
375     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
376       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
377       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
378       return;
379
380     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
381     ++Low;
382   }
383   // Insert
384   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
385   ++Low;
386   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
387   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
388   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
389     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
390     ++Low;
391     Safe.erase(Remove);
392   }
393 }
394
395 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
396 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
397 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
398 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
399 /// arguments passed in.
400 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
401                                            bool isByValOrInAlloca) const {
402   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
403
404   // Quick exit for unused arguments
405   if (Arg->use_empty())
406     return true;
407
408   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
409   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
410   //
411   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
412   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
413   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
414   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
415   // valid.
416   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
417   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
418   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
419   // original code.
420   //
421   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
422   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
423   //
424   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
425   // that the address isn't captured.
426   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
427
428   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
429   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
430   GEPIndicesSet ToPromote;
431
432   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
433   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg, DL))
434     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
435
436   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
437   // safe.
438   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
439   // Declare this here so we can reuse it
440   IndicesVector Indices;
441   for (BasicBlock::iterator I = EntryBlock->begin(), E = EntryBlock->end();
442        I != E; ++I)
443     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
444       Value *V = LI->getPointerOperand();
445       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
446         V = GEP->getPointerOperand();
447         if (V == Arg) {
448           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
449           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
450           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
451                II != IE; ++II)
452             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
453               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
454             else
455               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
456               // right away, can't promote this argument at all.
457               return false;
458
459           // Indices checked out, mark them as safe
460           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
461           Indices.clear();
462         }
463       } else if (V == Arg) {
464         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
465         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
466       }
467     }
468
469   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
470   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
471   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
472   IndicesVector Operands;
473   for (Use &U : Arg->uses()) {
474     User *UR = U.getUser();
475     Operands.clear();
476     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
477       // Don't hack volatile/atomic loads
478       if (!LI->isSimple()) return false;
479       Loads.push_back(LI);
480       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
481       Operands.push_back(0);
482     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
483       if (GEP->use_empty()) {
484         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
485         // them.
486         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
487         GEP->eraseFromParent();
488         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
489         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
490         // use?
491         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca);
492       }
493
494       // Ensure that all of the indices are constants.
495       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
496         i != e; ++i)
497         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
498           Operands.push_back(C->getSExtValue());
499         else
500           return false;  // Not a constant operand GEP!
501
502       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
503       for (User *GEPU : GEP->users())
504         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
505           // Don't hack volatile/atomic loads
506           if (!LI->isSimple()) return false;
507           Loads.push_back(LI);
508         } else {
509           // Other uses than load?
510           return false;
511         }
512     } else {
513       return false;  // Not a load or a GEP.
514     }
515
516     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
517     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
518     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
519       return false;
520
521     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
522     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
523     // to do.
524     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
525       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
526         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
527               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
528               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
529         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
530         // of elements of the aggregate.
531         return false;
532       }
533       ToPromote.insert(std::move(Operands));
534     }
535   }
536
537   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
538
539   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
540   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
541   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
542   // the function to each of the load instructions.
543
544   // Because there could be several/many load instructions, remember which
545   // blocks we know to be transparent to the load.
546   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
547
548   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
549
550   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
551     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
552     // the load itself.
553     LoadInst *Load = Loads[i];
554     BasicBlock *BB = Load->getParent();
555
556     AliasAnalysis::Location Loc = AA.getLocation(Load);
557     if (AA.canInstructionRangeModRef(BB->front(), *Load, Loc,
558         AliasAnalysis::Mod))
559       return false;  // Pointer is invalidated!
560
561     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
562     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
563     // loading block.
564     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
565       for (BasicBlock *TranspBB : inverse_depth_first_ext(P, TranspBlocks))
566         if (AA.canBasicBlockModify(*TranspBB, Loc))
567           return false;
568     }
569   }
570
571   // If the path from the entry of the function to each load is free of
572   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
573   // transformation!
574   return true;
575 }
576
577 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
578 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
579 /// safe to do so.
580 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
581                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
582                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform) {
583
584   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
585   // the old function, but has modified arguments.
586   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
587   std::vector<Type*> Params;
588
589   typedef std::set<IndicesVector> ScalarizeTable;
590
591   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
592   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
593   // can add one argument for each.
594   //
595   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
596   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
597   //
598   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
599
600   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
601   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
602   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
603   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
604   // of the argument that are accessed.
605   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
606
607   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
608   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
609   // attributes are lost
610   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
611   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
612
613   // Add any return attributes.
614   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
615     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
616                                               PAL.getRetAttributes()));
617
618   // First, determine the new argument list
619   unsigned ArgIndex = 1;
620   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
621        ++I, ++ArgIndex) {
622     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
623       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
624       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
625       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
626       Params.insert(Params.end(), STy->element_begin(), STy->element_end());
627       ++NumByValArgsPromoted;
628     } else if (!ArgsToPromote.count(I)) {
629       // Unchanged argument
630       Params.push_back(I->getType());
631       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
632       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
633         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
634         AttributesVec.
635           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
636       }
637     } else if (I->use_empty()) {
638       // Dead argument (which are always marked as promotable)
639       ++NumArgumentsDead;
640     } else {
641       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
642       // or GEPs which are only used by loads
643
644       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
645       // (where direct loads are tracked as no indices).
646       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
647       for (User *U : I->users()) {
648         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
649         assert(isa<LoadInst>(UI) || isa<GetElementPtrInst>(UI));
650         IndicesVector Indices;
651         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
652         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
653         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
654         // and gep+loads with the GEP indices.
655         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
656              II != IE; ++II)
657           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
658         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
659         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
660           Indices.clear();
661         ArgIndices.insert(Indices);
662         LoadInst *OrigLoad;
663         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
664           OrigLoad = L;
665         else
666           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
667           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
668         OriginalLoads[std::make_pair(I, Indices)] = OrigLoad;
669       }
670
671       // Add a parameter to the function for each element passed in.
672       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
673              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
674         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
675         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
676         assert(Params.back());
677       }
678
679       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
680         ++NumArgumentsPromoted;
681       else
682         ++NumAggregatesPromoted;
683     }
684   }
685
686   // Add any function attributes.
687   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
688     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
689                                               PAL.getFnAttributes()));
690
691   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
692
693   // Construct the new function type using the new arguments.
694   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
695
696   // Create the new function body and insert it into the module.
697   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
698   NF->copyAttributesFrom(F);
699
700   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
701   auto DI = FunctionDIs.find(F);
702   if (DI != FunctionDIs.end()) {
703     DISubprogram SP = DI->second;
704     SP.replaceFunction(NF);
705     // Ensure the map is updated so it can be reused on subsequent argument
706     // promotions of the same function.
707     FunctionDIs.erase(DI);
708     FunctionDIs[NF] = SP;
709   }
710
711   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
712         << "From: " << *F);
713   
714   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
715   // the function.
716   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
717   AttributesVec.clear();
718
719   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
720   NF->takeName(F);
721
722   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
723   // changes.
724   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
725
726   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
727   // changes.
728   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
729
730   // Get a new callgraph node for NF.
731   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
732
733   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
734   // to pass in the loaded pointers.
735   //
736   SmallVector<Value*, 16> Args;
737   while (!F->use_empty()) {
738     CallSite CS(F->user_back());
739     assert(CS.getCalledFunction() == F);
740     Instruction *Call = CS.getInstruction();
741     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
742
743     // Add any return attributes.
744     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
745       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
746                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
747
748     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
749     // appropriate.
750     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
751     ArgIndex = 1;
752     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
753          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
754       if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
755         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
756
757         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
758           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
759           AttributesVec.
760             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
761         }
762       } else if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
763         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
764         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
765         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
766         Value *Idxs[2] = {
767               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
768         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
769           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
770           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(*AI, Idxs,
771                                                  (*AI)->getName()+"."+utostr(i),
772                                                  Call);
773           // TODO: Tell AA about the new values?
774           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
775         }
776       } else if (!I->use_empty()) {
777         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
778         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
779         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
780         // for reuse.
781         std::vector<Value*> Ops;
782         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
783                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
784           Value *V = *AI;
785           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(I, *SI)];
786           if (!SI->empty()) {
787             Ops.reserve(SI->size());
788             Type *ElTy = V->getType();
789             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->begin(),
790                  IE = SI->end(); II != IE; ++II) {
791               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
792               // This satisfies GEP constraints.
793               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
794                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
795                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
796               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
797               // Keep track of the type we're currently indexing.
798               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
799             }
800             // And create a GEP to extract those indices.
801             V = GetElementPtrInst::Create(V, Ops, V->getName()+".idx", Call);
802             Ops.clear();
803             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
804           }
805           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
806           // of the previous load.
807           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
808           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
809           // Transfer the AA info too.
810           AAMDNodes AAInfo;
811           OrigLoad->getAAMetadata(AAInfo);
812           newLoad->setAAMetadata(AAInfo);
813
814           Args.push_back(newLoad);
815           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
816         }
817       }
818
819     // Push any varargs arguments on the list.
820     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
821       Args.push_back(*AI);
822       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
823         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
824         AttributesVec.
825           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
826       }
827     }
828
829     // Add any function attributes.
830     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
831       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
832                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
833
834     Instruction *New;
835     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
836       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
837                                Args, "", Call);
838       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
839       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
840                                                             AttributesVec));
841     } else {
842       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
843       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
844       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
845                                                           AttributesVec));
846       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
847         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
848     }
849     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
850     Args.clear();
851     AttributesVec.clear();
852
853     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
854     // the old call with a new one.
855     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
856
857     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
858     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
859     CalleeNode->replaceCallEdge(Call, New, NF_CGN);
860
861     if (!Call->use_empty()) {
862       Call->replaceAllUsesWith(New);
863       New->takeName(Call);
864     }
865
866     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
867     // F.
868     Call->eraseFromParent();
869   }
870
871   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
872   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
873   // function empty.
874   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
875
876   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
877   // the new arguments, also transferring over the names as well.
878   //
879   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
880        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
881     if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
882       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
883       // new version.
884       I->replaceAllUsesWith(I2);
885       I2->takeName(I);
886       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
887       ++I2;
888       continue;
889     }
890
891     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
892       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
893       // arguments into the alloca.
894       Instruction *InsertPt = NF->begin()->begin();
895
896       // Just add all the struct element types.
897       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
898       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
899       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
900       Value *Idxs[2] = {
901             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
902
903       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
904         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
905         Value *Idx = 
906           GetElementPtrInst::Create(TheAlloca, Idxs,
907                                     TheAlloca->getName()+"."+Twine(i), 
908                                     InsertPt);
909         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
910         new StoreInst(I2++, Idx, InsertPt);
911       }
912
913       // Anything that used the arg should now use the alloca.
914       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
915       TheAlloca->takeName(I);
916       AA.replaceWithNewValue(I, TheAlloca);
917
918       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
919       // the callee now uses an alloca from the caller.
920       for (User *U : TheAlloca->users()) {
921         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
922         if (!Call)
923           continue;
924         Call->setTailCall(false);
925       }
926       continue;
927     }
928
929     if (I->use_empty()) {
930       AA.deleteValue(I);
931       continue;
932     }
933
934     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
935     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
936     // using the new argument that we added.
937     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
938
939     while (!I->use_empty()) {
940       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
941         assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
942                "Load element should sort to front!");
943         I2->setName(I->getName()+".val");
944         LI->replaceAllUsesWith(I2);
945         AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
946         LI->eraseFromParent();
947         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
948               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
949       } else {
950         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
951         IndicesVector Operands;
952         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
953         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
954              II != IE; ++II)
955           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
956
957         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
958         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
959           Operands.clear();
960
961         Function::arg_iterator TheArg = I2;
962         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
963              *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
964           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
965         }
966
967         std::string NewName = I->getName();
968         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
969             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
970         }
971         NewName += ".val";
972         TheArg->setName(NewName);
973
974         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
975               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
976
977         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
978         // the argument specified by ArgNo.
979         while (!GEP->use_empty()) {
980           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
981           L->replaceAllUsesWith(TheArg);
982           AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
983           L->eraseFromParent();
984         }
985         AA.deleteValue(GEP);
986         GEP->eraseFromParent();
987       }
988     }
989
990     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
991     std::advance(I2, ArgIndices.size());
992   }
993
994   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
995   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
996
997   
998   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
999   
1000   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
1001   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
1002   // someone else to nuke.
1003   CallGraphNode *CGN = CG[F];
1004   if (CGN->getNumReferences() == 0)
1005     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
1006   else
1007     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
1008   
1009   return NF_CGN;
1010 }
1011
1012 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
1013   FunctionDIs = makeSubprogramMap(CG.getModule());
1014   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
1015 }