93a7af68a0d5fd2c1b97eea51e712a4700171bd6
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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 we can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then we 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 // we refuse to scalarize aggregates which would require passing in more than
21 // three operands to the function, because we don't want to pass thousands of
22 // operands for a large array or structure!
23 //
24 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
25 // stored to (returning the value instead), but we do not currently handle that
26 // case.  This case would be best handled when and if we start supporting
27 // multiple return values from functions.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30
31 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/Constants.h"
34 #include "llvm/DerivedTypes.h"
35 #include "llvm/Module.h"
36 #include "llvm/CallGraphSCCPass.h"
37 #include "llvm/Instructions.h"
38 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
40 #include "llvm/Target/TargetData.h"
41 #include "llvm/Support/CallSite.h"
42 #include "llvm/Support/CFG.h"
43 #include "llvm/Support/Debug.h"
44 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
47 #include "llvm/Support/Compiler.h"
48 #include <set>
49 using namespace llvm;
50
51 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
52 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
53 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
54
55 namespace {
56   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
57   ///
58   struct VISIBILITY_HIDDEN ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
59     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
60       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
61       AU.addRequired<TargetData>();
62       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
63     }
64
65     virtual bool runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC);
66     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
67     ArgPromotion() : CallGraphSCCPass((intptr_t)&ID) {}
68
69   private:
70     bool PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
71     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;
72     Function *DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
73   };
74
75   char ArgPromotion::ID = 0;
76   RegisterPass<ArgPromotion> X("argpromotion",
77                                "Promote 'by reference' arguments to scalars");
78 }
79
80 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
81   return new ArgPromotion();
82 }
83
84 bool ArgPromotion::runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC) {
85   bool Changed = false, LocalChange;
86
87   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
88     LocalChange = false;
89     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
90     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e; ++i)
91       LocalChange |= PromoteArguments(SCC[i]);
92     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
93   } while (LocalChange);
94
95   return Changed;
96 }
97
98 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
99 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
100 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
101 /// calls the DoPromotion method.
102 ///
103 bool ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
104   Function *F = CGN->getFunction();
105
106   // Make sure that it is local to this module.
107   if (!F || !F->hasInternalLinkage()) return false;
108
109   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
110   std::vector<Argument*> PointerArgs;
111   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
112     if (isa<PointerType>(I->getType()))
113       PointerArgs.push_back(I);
114   if (PointerArgs.empty()) return false;
115
116   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
117   // transform functions that have indirect callers.
118   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
119        UI != E; ++UI) {
120     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
121     if (!CS.getInstruction())       // "Taking the address" of the function
122       return false;
123
124     // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
125     // an argument.
126     for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
127          AI != E; ++AI)
128       if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
129   }
130
131   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
132   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
133   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
134     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
135       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
136       PointerArgs.pop_back();
137     }
138
139   // No promotable pointer arguments.
140   if (PointerArgs.empty()) return false;
141
142   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
143   Function *NewF = DoPromotion(F, PointerArgs);
144
145   // Update the call graph to know that the old function is gone.
146   getAnalysis<CallGraph>().changeFunction(F, NewF);
147   return true;
148 }
149
150 /// IsAlwaysValidPointer - Return true if the specified pointer is always legal
151 /// to load.
152 static bool IsAlwaysValidPointer(Value *V) {
153   if (isa<AllocaInst>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) return true;
154   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V))
155     return IsAlwaysValidPointer(GEP->getOperand(0));
156   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
157     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
158       return IsAlwaysValidPointer(CE->getOperand(0));
159
160   return false;
161 }
162
163 /// AllCalleesPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
164 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
165 static bool AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
166   Function *Callee = Arg->getParent();
167
168   unsigned ArgNo = std::distance(Callee->arg_begin(),
169                                  Function::arg_iterator(Arg));
170
171   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
172   // have direct callees.
173   for (Value::use_iterator UI = Callee->use_begin(), E = Callee->use_end();
174        UI != E; ++UI) {
175     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
176     assert(CS.getInstruction() && "Should only have direct calls!");
177
178     if (!IsAlwaysValidPointer(CS.getArgument(ArgNo)))
179       return false;
180   }
181   return true;
182 }
183
184
185 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
186 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
187 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
188 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
189 /// arguments passed in.
190 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
191   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
192   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
193   bool HasLoadInEntryBlock = false;
194   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
195   std::vector<LoadInst*> Loads;
196   std::vector<std::vector<ConstantInt*> > GEPIndices;
197   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
198        UI != E; ++UI)
199     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
200       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
201       Loads.push_back(LI);
202       HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
203     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
204       if (GEP->use_empty()) {
205         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
206         // them.
207         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
208         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
209         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
210       }
211       // Ensure that all of the indices are constants.
212       std::vector<ConstantInt*> Operands;
213       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
214         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)))
215           Operands.push_back(C);
216         else
217           return false;  // Not a constant operand GEP!
218
219       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
220       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
221            UI != E; ++UI)
222         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
223           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
224           Loads.push_back(LI);
225           HasLoadInEntryBlock |= LI->getParent() == EntryBlock;
226         } else {
227           return false;
228         }
229
230       // See if there is already a GEP with these indices.  If not, check to
231       // make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
232       // to do.
233       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
234           GEPIndices.end()) {
235         if (GEPIndices.size() == 3) {
236           DOUT << "argpromotion disable promoting argument '"
237                << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
238                << "than 3 arguments to the function.\n";
239           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
240           // of the aggregate.
241           return false;
242         }
243         GEPIndices.push_back(Operands);
244       }
245     } else {
246       return false;  // Not a load or a GEP.
247     }
248
249   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
250
251   // If we decide that we want to promote this argument, the value is going to
252   // be unconditionally loaded in all callees.  This is only safe to do if the
253   // pointer was going to be unconditionally loaded anyway (i.e. there is a load
254   // of the pointer in the entry block of the function) or if we can prove that
255   // all pointers passed in are always to legal locations (for example, no null
256   // pointers are passed in, no pointers to free'd memory, etc).
257   if (!HasLoadInEntryBlock && !AllCalleesPassInValidPointerForArgument(Arg))
258     return false;   // Cannot prove that this is safe!!
259
260   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
261   // it is safe to unconditionally load the pointer.  Use alias analysis to
262   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
263   // the function to each of the load instructions.
264
265   // Because there could be several/many load instructions, remember which
266   // blocks we know to be transparent to the load.
267   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
268
269   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
270   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
271
272   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
273     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
274     // the load itself.
275     LoadInst *Load = Loads[i];
276     BasicBlock *BB = Load->getParent();
277
278     const PointerType *LoadTy =
279       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
280     unsigned LoadSize = (unsigned)TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
281
282     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
283       return false;  // Pointer is invalidated!
284
285     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
286     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
287     // loading block.
288     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
289       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
290              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
291         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
292           return false;
293   }
294
295   // If the path from the entry of the function to each load is free of
296   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
297   // transformation!
298   return true;
299 }
300
301 namespace {
302   /// GEPIdxComparator - Provide a strong ordering for GEP indices.  All Value*
303   /// elements are instances of ConstantInt.
304   ///
305   struct GEPIdxComparator {
306     bool operator()(const std::vector<Value*> &LHS,
307                     const std::vector<Value*> &RHS) const {
308       unsigned idx = 0;
309       for (; idx < LHS.size() && idx < RHS.size(); ++idx) {
310         if (LHS[idx] != RHS[idx]) {
311           return cast<ConstantInt>(LHS[idx])->getZExtValue() <
312                  cast<ConstantInt>(RHS[idx])->getZExtValue();
313         }
314       }
315
316       // Return less than if we ran out of stuff in LHS and we didn't run out of
317       // stuff in RHS.
318       return idx == LHS.size() && idx != RHS.size();
319     }
320   };
321 }
322
323
324 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
325 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
326 /// safe to do so.
327 Function *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
328                                     std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
329   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
330
331   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
332   // the old function, but has modified arguments.
333   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
334   std::vector<const Type*> Params;
335
336   typedef std::set<std::vector<Value*>, GEPIdxComparator> ScalarizeTable;
337
338   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
339   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
340   // can add one argument for each.
341   //
342   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
343   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
344   //
345   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
346
347   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
348   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
349   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
350   std::map<std::vector<Value*>, LoadInst*> OriginalLoads;
351
352   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
353     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
354       Params.push_back(I->getType());
355     } else if (I->use_empty()) {
356       ++NumArgumentsDead;
357     } else {
358       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
359       // of the argument.
360       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
361       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
362            ++UI) {
363         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
364         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
365         std::vector<Value*> Indices(User->op_begin()+1, User->op_end());
366         ArgIndices.insert(Indices);
367         LoadInst *OrigLoad;
368         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(User))
369           OrigLoad = L;
370         else
371           OrigLoad = cast<LoadInst>(User->use_back());
372         OriginalLoads[Indices] = OrigLoad;
373       }
374
375       // Add a parameter to the function for each element passed in.
376       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
377              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
378         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(),
379                                                            SI->begin(),
380                                                            SI->end()));
381
382       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
383         ++NumArgumentsPromoted;
384       else
385         ++NumAggregatesPromoted;
386     }
387
388   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
389
390   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
391   // have zero fixed arguments.
392   bool ExtraArgHack = false;
393   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
394     ExtraArgHack = true;
395     Params.push_back(Type::Int32Ty);
396   }
397   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
398
399    // Create the new function body and insert it into the module...
400   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
401   NF->setCallingConv(F->getCallingConv());
402   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
403
404   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
405   // changes.
406   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
407
408   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
409   // to pass in the loaded pointers.
410   //
411   std::vector<Value*> Args;
412   while (!F->use_empty()) {
413     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
414     Instruction *Call = CS.getInstruction();
415
416     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
417     // appropriate.
418     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
419     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
420          I != E; ++I, ++AI)
421       if (!ArgsToPromote.count(I))
422         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
423       else if (!I->use_empty()) {
424         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
425         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
426         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
427                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
428           Value *V = *AI;
429           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[*SI];
430           if (!SI->empty()) {
431             V = new GetElementPtrInst(V, SI->begin(), SI->end(),
432                                       V->getName()+".idx", Call);
433             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
434           }
435           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
436           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
437         }
438       }
439
440     if (ExtraArgHack)
441       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::Int32Ty));
442
443     // Push any varargs arguments on the list
444     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
445       Args.push_back(*AI);
446
447     Instruction *New;
448     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
449       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
450                            Args.begin(), Args.end(), "", Call);
451       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
452     } else {
453       New = new CallInst(NF, Args.begin(), Args.end(), "", Call);
454       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
455       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
456         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
457     }
458     Args.clear();
459
460     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
461     // the old call with a new one.
462     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
463
464     if (!Call->use_empty()) {
465       Call->replaceAllUsesWith(New);
466       New->takeName(Call);
467     }
468
469     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
470     // F.
471     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
472   }
473
474   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
475   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
476   // function empty.
477   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
478
479   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
480   // the new arguments, also transfering over the names as well.
481   //
482   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
483        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I)
484     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
485       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
486       // new version.
487       I->replaceAllUsesWith(I2);
488       I2->takeName(I);
489       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
490       ++I2;
491     } else if (I->use_empty()) {
492       AA.deleteValue(I);
493     } else {
494       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
495       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
496       // added.
497       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
498
499       while (!I->use_empty()) {
500         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
501           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
502                  "Load element should sort to front!");
503           I2->setName(I->getName()+".val");
504           LI->replaceAllUsesWith(I2);
505           AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
506           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
507           DOUT << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
508                << "' in function '" << F->getName() << "'\n";
509         } else {
510           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
511           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
512
513           Function::arg_iterator TheArg = I2;
514           for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
515                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
516             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
517           }
518
519           std::string NewName = I->getName();
520           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
521             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
522               NewName += "." + CI->getValue().toStringUnsigned(10);
523             else
524               NewName += ".x";
525           TheArg->setName(NewName+".val");
526
527           DOUT << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
528                << "' of function '" << F->getName() << "'\n";
529
530           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
531           // the argument specified by ArgNo.
532           while (!GEP->use_empty()) {
533             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
534             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
535             AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
536             L->getParent()->getInstList().erase(L);
537           }
538           AA.deleteValue(GEP);
539           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
540         }
541       }
542
543       // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
544       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i)
545         ++I2;
546     }
547
548   // Notify the alias analysis implementation that we inserted a new argument.
549   if (ExtraArgHack)
550     AA.copyValue(Constant::getNullValue(Type::Int32Ty), NF->arg_begin());
551
552
553   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
554   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
555
556   // Now that the old function is dead, delete it.
557   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
558   return NF;
559 }