[C++11] Add predecessors(BasicBlock *) / successors(BasicBlock *) iterator ranges.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote by-reference arguments ------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template
16 // code like the STL).
17 //
18 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // by default it refuses to scalarize aggregates which would require passing in
21 // more than three operands to the function, because passing thousands of
22 // operands for a large array or structure is unprofitable! This limit can be
23 // configured or disabled, however.
24 //
25 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
26 // stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
27 // would be best handled when and if LLVM begins supporting multiple return
28 // values from functions.
29 //
30 //===----------------------------------------------------------------------===//
31
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
37 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
38 #include "llvm/Analysis/CallGraphSCCPass.h"
39 #include "llvm/IR/CFG.h"
40 #include "llvm/IR/CallSite.h"
41 #include "llvm/IR/Constants.h"
42 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
43 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
44 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
47 #include "llvm/IR/Module.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include <set>
51 using namespace llvm;
52
53 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
54
55 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
56 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
57 STATISTIC(NumByValArgsPromoted , "Number of byval arguments promoted");
58 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
59
60 namespace {
61   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
62   ///
63   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
64     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
65       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
66       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
67     }
68
69     bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
70     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
71     explicit ArgPromotion(unsigned maxElements = 3)
72         : CallGraphSCCPass(ID), DL(nullptr), maxElements(maxElements) {
73       initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
74     }
75
76     /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
77     typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
78
79     const DataLayout *DL;
80   private:
81     CallGraphNode *PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
82     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByVal) const;
83     CallGraphNode *DoPromotion(Function *F,
84                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ArgsToPromote,
85                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ByValArgsToTransform);
86     bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
87     /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
88     unsigned maxElements;
89     DenseMap<const Function *, DISubprogram> FunctionDIs;
90   };
91 }
92
93 char ArgPromotion::ID = 0;
94 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
95                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
96 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
97 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
98 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
99                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
100
101 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned maxElements) {
102   return new ArgPromotion(maxElements);
103 }
104
105 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
106   bool Changed = false, LocalChange;
107
108   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
109   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
110
111   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
112     LocalChange = false;
113     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
114     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
115       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
116         LocalChange = true;
117         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
118       }
119     }
120     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
121   } while (LocalChange);
122   
123   return Changed;
124 }
125
126 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
127 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
128 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
129 /// calls the DoPromotion method.
130 ///
131 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
132   Function *F = CGN->getFunction();
133
134   // Make sure that it is local to this module.
135   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
136
137   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
138   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
139   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
140     if (I->getType()->isPointerTy())
141       PointerArgs.push_back(I);
142   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
143
144   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
145   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
146   // is self-recursive.
147   bool isSelfRecursive = false;
148   for (Use &U : F->uses()) {
149     CallSite CS(U.getUser());
150     // Must be a direct call.
151     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
152     
153     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
154       isSelfRecursive = true;
155   }
156   
157   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
158   // add it to ArgsToPromote.
159   SmallPtrSet<Argument*, 8> ArgsToPromote;
160   SmallPtrSet<Argument*, 8> ByValArgsToTransform;
161   for (unsigned i = 0, e = PointerArgs.size(); i != e; ++i) {
162     Argument *PtrArg = PointerArgs[i];
163     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
164
165     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
166     // pass the elements, which is always safe.  This does not apply to
167     // inalloca.
168     if (PtrArg->hasByValAttr()) {
169       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
170         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
171           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
172                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
173                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
174           continue;
175         }
176         
177         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
178         bool AllSimple = true;
179         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
180           if (!STy->getElementType(i)->isSingleValueType()) {
181             AllSimple = false;
182             break;
183           }
184         }
185
186         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
187         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
188         // the new alloca we introduce.
189         if (AllSimple) {
190           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
191           continue;
192         }
193       }
194     }
195
196     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
197     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
198     if (isSelfRecursive) {
199       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
200         bool RecursiveType = false;
201         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
202           if (STy->getElementType(i) == PtrArg->getType()) {
203             RecursiveType = true;
204             break;
205           }
206         }
207         if (RecursiveType)
208           continue;
209       }
210     }
211     
212     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
213     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr()))
214       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
215   }
216
217   // No promotable pointer arguments.
218   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
219     return nullptr;
220
221   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
222 }
223
224 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
225 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
226 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg,
227                                                     const DataLayout *DL) {
228   Function *Callee = Arg->getParent();
229
230   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
231
232   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
233   // have direct callees.
234   for (User *U : Callee->users()) {
235     CallSite CS(U);
236     assert(CS && "Should only have direct calls!");
237
238     if (!CS.getArgument(ArgNo)->isDereferenceablePointer(DL))
239       return false;
240   }
241   return true;
242 }
243
244 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
245 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
246 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
247 ///
248 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
249 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
250                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
251   if (Prefix.size() > Longer.size())
252     return false;
253   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
254 }
255
256
257 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
258 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
259                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
260     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
261     Low = Set.upper_bound(Indices);
262     if (Low != Set.begin())
263       Low--;
264     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
265     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
266     // prefix exists.
267     //
268     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
269     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
270 }
271
272 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
273 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
274 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
275 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
276 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
277 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
278                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
279   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
280   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
281   // Guard against the case where Safe is empty
282   if (Low != Safe.begin())
283     Low--;
284   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
285   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
286   // such prefix exists.
287   if (Low != Safe.end()) {
288     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
289       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
290       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
291       return;
292
293     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
294     ++Low;
295   }
296   // Insert
297   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
298   ++Low;
299   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
300   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
301   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
302     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
303     ++Low;
304     Safe.erase(Remove);
305   }
306 }
307
308 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
309 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
310 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
311 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
312 /// arguments passed in.
313 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
314                                            bool isByValOrInAlloca) const {
315   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
316
317   // Quick exit for unused arguments
318   if (Arg->use_empty())
319     return true;
320
321   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
322   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
323   //
324   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
325   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
326   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
327   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
328   // valid.
329   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
330   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
331   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
332   // original code.
333   //
334   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
335   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
336   //
337   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
338   // that the address isn't captured.
339   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
340
341   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
342   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
343   GEPIndicesSet ToPromote;
344
345   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
346   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg, DL))
347     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
348
349   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
350   // safe.
351   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
352   // Declare this here so we can reuse it
353   IndicesVector Indices;
354   for (BasicBlock::iterator I = EntryBlock->begin(), E = EntryBlock->end();
355        I != E; ++I)
356     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
357       Value *V = LI->getPointerOperand();
358       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
359         V = GEP->getPointerOperand();
360         if (V == Arg) {
361           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
362           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
363           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
364                II != IE; ++II)
365             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
366               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
367             else
368               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
369               // right away, can't promote this argument at all.
370               return false;
371
372           // Indices checked out, mark them as safe
373           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
374           Indices.clear();
375         }
376       } else if (V == Arg) {
377         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
378         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
379       }
380     }
381
382   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
383   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
384   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
385   IndicesVector Operands;
386   for (Use &U : Arg->uses()) {
387     User *UR = U.getUser();
388     Operands.clear();
389     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
390       // Don't hack volatile/atomic loads
391       if (!LI->isSimple()) return false;
392       Loads.push_back(LI);
393       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
394       Operands.push_back(0);
395     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
396       if (GEP->use_empty()) {
397         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
398         // them.
399         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
400         GEP->eraseFromParent();
401         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
402         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
403         // use?
404         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca);
405       }
406
407       // Ensure that all of the indices are constants.
408       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
409         i != e; ++i)
410         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
411           Operands.push_back(C->getSExtValue());
412         else
413           return false;  // Not a constant operand GEP!
414
415       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
416       for (User *GEPU : GEP->users())
417         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
418           // Don't hack volatile/atomic loads
419           if (!LI->isSimple()) return false;
420           Loads.push_back(LI);
421         } else {
422           // Other uses than load?
423           return false;
424         }
425     } else {
426       return false;  // Not a load or a GEP.
427     }
428
429     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
430     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
431     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
432       return false;
433
434     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
435     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
436     // to do.
437     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
438       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
439         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
440               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
441               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
442         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
443         // of elements of the aggregate.
444         return false;
445       }
446       ToPromote.insert(Operands);
447     }
448   }
449
450   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
451
452   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
453   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
454   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
455   // the function to each of the load instructions.
456
457   // Because there could be several/many load instructions, remember which
458   // blocks we know to be transparent to the load.
459   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
460
461   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
462
463   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
464     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
465     // the load itself.
466     LoadInst *Load = Loads[i];
467     BasicBlock *BB = Load->getParent();
468
469     AliasAnalysis::Location Loc = AA.getLocation(Load);
470     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Loc))
471       return false;  // Pointer is invalidated!
472
473     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
474     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
475     // loading block.
476     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
477       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*, SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> >
478              I = idf_ext_begin(P, TranspBlocks),
479              E = idf_ext_end(P, TranspBlocks); I != E; ++I)
480         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Loc))
481           return false;
482     }
483   }
484
485   // If the path from the entry of the function to each load is free of
486   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
487   // transformation!
488   return true;
489 }
490
491 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
492 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
493 /// safe to do so.
494 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
495                                SmallPtrSet<Argument*, 8> &ArgsToPromote,
496                               SmallPtrSet<Argument*, 8> &ByValArgsToTransform) {
497
498   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
499   // the old function, but has modified arguments.
500   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
501   std::vector<Type*> Params;
502
503   typedef std::set<IndicesVector> ScalarizeTable;
504
505   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
506   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
507   // can add one argument for each.
508   //
509   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
510   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
511   //
512   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
513
514   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
515   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
516   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
517   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
518   // of the argument that are accessed.
519   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
520
521   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
522   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
523   // attributes are lost
524   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
525   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
526
527   // Add any return attributes.
528   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
529     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
530                                               PAL.getRetAttributes()));
531
532   // First, determine the new argument list
533   unsigned ArgIndex = 1;
534   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
535        ++I, ++ArgIndex) {
536     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
537       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
538       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
539       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
540       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i)
541         Params.push_back(STy->getElementType(i));
542       ++NumByValArgsPromoted;
543     } else if (!ArgsToPromote.count(I)) {
544       // Unchanged argument
545       Params.push_back(I->getType());
546       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
547       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
548         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
549         AttributesVec.
550           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
551       }
552     } else if (I->use_empty()) {
553       // Dead argument (which are always marked as promotable)
554       ++NumArgumentsDead;
555     } else {
556       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
557       // or GEPs which are only used by loads
558
559       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
560       // (where direct loads are tracked as no indices).
561       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
562       for (User *U : I->users()) {
563         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
564         assert(isa<LoadInst>(UI) || isa<GetElementPtrInst>(UI));
565         IndicesVector Indices;
566         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
567         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
568         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
569         // and gep+loads with the GEP indices.
570         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
571              II != IE; ++II)
572           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
573         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
574         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
575           Indices.clear();
576         ArgIndices.insert(Indices);
577         LoadInst *OrigLoad;
578         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
579           OrigLoad = L;
580         else
581           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
582           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
583         OriginalLoads[std::make_pair(I, Indices)] = OrigLoad;
584       }
585
586       // Add a parameter to the function for each element passed in.
587       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
588              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
589         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
590         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
591         assert(Params.back());
592       }
593
594       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
595         ++NumArgumentsPromoted;
596       else
597         ++NumAggregatesPromoted;
598     }
599   }
600
601   // Add any function attributes.
602   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
603     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
604                                               PAL.getFnAttributes()));
605
606   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
607
608   // Construct the new function type using the new arguments.
609   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
610
611   // Create the new function body and insert it into the module.
612   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
613   NF->copyAttributesFrom(F);
614
615   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
616   auto DI = FunctionDIs.find(F);
617   if (DI != FunctionDIs.end())
618     DI->second.replaceFunction(NF);
619   
620   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
621         << "From: " << *F);
622   
623   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
624   // the function.
625   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
626   AttributesVec.clear();
627
628   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
629   NF->takeName(F);
630
631   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
632   // changes.
633   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
634
635   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
636   // changes.
637   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
638
639   // Get a new callgraph node for NF.
640   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
641
642   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
643   // to pass in the loaded pointers.
644   //
645   SmallVector<Value*, 16> Args;
646   while (!F->use_empty()) {
647     CallSite CS(F->user_back());
648     assert(CS.getCalledFunction() == F);
649     Instruction *Call = CS.getInstruction();
650     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
651
652     // Add any return attributes.
653     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
654       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
655                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
656
657     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
658     // appropriate.
659     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
660     ArgIndex = 1;
661     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
662          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
663       if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
664         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
665
666         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
667           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
668           AttributesVec.
669             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
670         }
671       } else if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
672         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
673         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
674         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
675         Value *Idxs[2] = {
676               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
677         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
678           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
679           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(*AI, Idxs,
680                                                  (*AI)->getName()+"."+utostr(i),
681                                                  Call);
682           // TODO: Tell AA about the new values?
683           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
684         }
685       } else if (!I->use_empty()) {
686         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
687         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
688         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
689         // for reuse.
690         std::vector<Value*> Ops;
691         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
692                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
693           Value *V = *AI;
694           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(I, *SI)];
695           if (!SI->empty()) {
696             Ops.reserve(SI->size());
697             Type *ElTy = V->getType();
698             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->begin(),
699                  IE = SI->end(); II != IE; ++II) {
700               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
701               // This satisfies GEP constraints.
702               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
703                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
704                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
705               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
706               // Keep track of the type we're currently indexing.
707               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
708             }
709             // And create a GEP to extract those indices.
710             V = GetElementPtrInst::Create(V, Ops, V->getName()+".idx", Call);
711             Ops.clear();
712             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
713           }
714           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
715           // of the previous load.
716           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
717           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
718           // Transfer the TBAA info too.
719           newLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa,
720                                OrigLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
721           Args.push_back(newLoad);
722           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
723         }
724       }
725
726     // Push any varargs arguments on the list.
727     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
728       Args.push_back(*AI);
729       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
730         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
731         AttributesVec.
732           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
733       }
734     }
735
736     // Add any function attributes.
737     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
738       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
739                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
740
741     Instruction *New;
742     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
743       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
744                                Args, "", Call);
745       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
746       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
747                                                             AttributesVec));
748     } else {
749       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
750       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
751       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
752                                                           AttributesVec));
753       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
754         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
755     }
756     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
757     Args.clear();
758     AttributesVec.clear();
759
760     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
761     // the old call with a new one.
762     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
763
764     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
765     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
766     CalleeNode->replaceCallEdge(Call, New, NF_CGN);
767
768     if (!Call->use_empty()) {
769       Call->replaceAllUsesWith(New);
770       New->takeName(Call);
771     }
772
773     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
774     // F.
775     Call->eraseFromParent();
776   }
777
778   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
779   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
780   // function empty.
781   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
782
783   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
784   // the new arguments, also transferring over the names as well.
785   //
786   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
787        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
788     if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
789       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
790       // new version.
791       I->replaceAllUsesWith(I2);
792       I2->takeName(I);
793       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
794       ++I2;
795       continue;
796     }
797
798     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
799       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
800       // arguments into the alloca.
801       Instruction *InsertPt = NF->begin()->begin();
802
803       // Just add all the struct element types.
804       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
805       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
806       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
807       Value *Idxs[2] = {
808             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
809
810       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
811         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
812         Value *Idx = 
813           GetElementPtrInst::Create(TheAlloca, Idxs,
814                                     TheAlloca->getName()+"."+Twine(i), 
815                                     InsertPt);
816         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
817         new StoreInst(I2++, Idx, InsertPt);
818       }
819
820       // Anything that used the arg should now use the alloca.
821       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
822       TheAlloca->takeName(I);
823       AA.replaceWithNewValue(I, TheAlloca);
824
825       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
826       // the callee now uses an alloca from the caller.
827       for (User *U : TheAlloca->users()) {
828         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
829         if (!Call)
830           continue;
831         Call->setTailCall(false);
832       }
833       continue;
834     }
835
836     if (I->use_empty()) {
837       AA.deleteValue(I);
838       continue;
839     }
840
841     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
842     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
843     // using the new argument that we added.
844     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
845
846     while (!I->use_empty()) {
847       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
848         assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
849                "Load element should sort to front!");
850         I2->setName(I->getName()+".val");
851         LI->replaceAllUsesWith(I2);
852         AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
853         LI->eraseFromParent();
854         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
855               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
856       } else {
857         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
858         IndicesVector Operands;
859         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
860         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
861              II != IE; ++II)
862           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
863
864         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
865         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
866           Operands.clear();
867
868         Function::arg_iterator TheArg = I2;
869         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
870              *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
871           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
872         }
873
874         std::string NewName = I->getName();
875         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
876             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
877         }
878         NewName += ".val";
879         TheArg->setName(NewName);
880
881         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
882               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
883
884         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
885         // the argument specified by ArgNo.
886         while (!GEP->use_empty()) {
887           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
888           L->replaceAllUsesWith(TheArg);
889           AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
890           L->eraseFromParent();
891         }
892         AA.deleteValue(GEP);
893         GEP->eraseFromParent();
894       }
895     }
896
897     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
898     std::advance(I2, ArgIndices.size());
899   }
900
901   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
902   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
903
904   
905   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
906   
907   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
908   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
909   // someone else to nuke.
910   CallGraphNode *CGN = CG[F];
911   if (CGN->getNumReferences() == 0)
912     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
913   else
914     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
915   
916   return NF_CGN;
917 }
918
919 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
920   FunctionDIs = makeSubprogramMap(CG.getModule());
921   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
922 }