eb55dcfbf3c3a3634ce9281944a5ad2e4425d953
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote by-reference arguments ------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template
16 // code like the STL).
17 //
18 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // by default it refuses to scalarize aggregates which would require passing in
21 // more than three operands to the function, because passing thousands of
22 // operands for a large array or structure is unprofitable! This limit can be
23 // configured or disabled, however.
24 //
25 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
26 // stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
27 // would be best handled when and if LLVM begins supporting multiple return
28 // values from functions.
29 //
30 //===----------------------------------------------------------------------===//
31
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
37 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
38 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
40 #include "llvm/Analysis/CallGraphSCCPass.h"
41 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
42 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
43 #include "llvm/IR/CFG.h"
44 #include "llvm/IR/CallSite.h"
45 #include "llvm/IR/Constants.h"
46 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
47 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
48 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
49 #include "llvm/IR/Instructions.h"
50 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
51 #include "llvm/IR/Module.h"
52 #include "llvm/Support/Debug.h"
53 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
54 #include <set>
55 using namespace llvm;
56
57 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
58
59 STATISTIC(NumArgumentsPromoted , "Number of pointer arguments promoted");
60 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
61 STATISTIC(NumByValArgsPromoted , "Number of byval arguments promoted");
62 STATISTIC(NumArgumentsDead     , "Number of dead pointer args eliminated");
63
64 namespace {
65   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
66   ///
67   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
68     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
69       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
70       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
71       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
72     }
73
74     bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
75     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
76     explicit ArgPromotion(unsigned maxElements = 3)
77         : CallGraphSCCPass(ID), maxElements(maxElements) {
78       initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
79     }
80
81     /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
82     typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
83
84   private:
85     bool isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL);
86     bool canPaddingBeAccessed(Argument *Arg);
87     CallGraphNode *PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
88     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByVal,
89                                  AAResults &AAR) const;
90     CallGraphNode *DoPromotion(Function *F,
91                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
92                               SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform);
93     
94     using llvm::Pass::doInitialization;
95     bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
96     /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
97     unsigned maxElements;
98     DenseMap<const Function *, DISubprogram *> FunctionDIs;
99   };
100 }
101
102 char ArgPromotion::ID = 0;
103 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
104                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
105 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
106 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
107 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
108 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
109                 "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
110
111 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned maxElements) {
112   return new ArgPromotion(maxElements);
113 }
114
115 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
116   bool Changed = false, LocalChange;
117
118   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
119     LocalChange = false;
120     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
121     for (CallGraphSCC::iterator I = SCC.begin(), E = SCC.end(); I != E; ++I) {
122       if (CallGraphNode *CGN = PromoteArguments(*I)) {
123         LocalChange = true;
124         SCC.ReplaceNode(*I, CGN);
125       }
126     }
127     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
128   } while (LocalChange);
129   
130   return Changed;
131 }
132
133 /// \brief Checks if a type could have padding bytes.
134 bool ArgPromotion::isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL) {
135
136   // There is no size information, so be conservative.
137   if (!type->isSized())
138     return false;
139
140   // If the alloc size is not equal to the storage size, then there are padding
141   // bytes. For x86_fp80 on x86-64, size: 80 alloc size: 128.
142   if (DL.getTypeSizeInBits(type) != DL.getTypeAllocSizeInBits(type))
143     return false;
144
145   if (!isa<CompositeType>(type))
146     return true;
147
148   // For homogenous sequential types, check for padding within members.
149   if (SequentialType *seqTy = dyn_cast<SequentialType>(type))
150     return isa<PointerType>(seqTy) ||
151            isDenselyPacked(seqTy->getElementType(), DL);
152
153   // Check for padding within and between elements of a struct.
154   StructType *StructTy = cast<StructType>(type);
155   const StructLayout *Layout = DL.getStructLayout(StructTy);
156   uint64_t StartPos = 0;
157   for (unsigned i = 0, E = StructTy->getNumElements(); i < E; ++i) {
158     Type *ElTy = StructTy->getElementType(i);
159     if (!isDenselyPacked(ElTy, DL))
160       return false;
161     if (StartPos != Layout->getElementOffsetInBits(i))
162       return false;
163     StartPos += DL.getTypeAllocSizeInBits(ElTy);
164   }
165
166   return true;
167 }
168
169 /// \brief Checks if the padding bytes of an argument could be accessed.
170 bool ArgPromotion::canPaddingBeAccessed(Argument *arg) {
171
172   assert(arg->hasByValAttr());
173
174   // Track all the pointers to the argument to make sure they are not captured.
175   SmallPtrSet<Value *, 16> PtrValues;
176   PtrValues.insert(arg);
177
178   // Track all of the stores.
179   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
180
181   // Scan through the uses recursively to make sure the pointer is always used
182   // sanely.
183   SmallVector<Value *, 16> WorkList;
184   WorkList.insert(WorkList.end(), arg->user_begin(), arg->user_end());
185   while (!WorkList.empty()) {
186     Value *V = WorkList.back();
187     WorkList.pop_back();
188     if (isa<GetElementPtrInst>(V) || isa<PHINode>(V)) {
189       if (PtrValues.insert(V).second)
190         WorkList.insert(WorkList.end(), V->user_begin(), V->user_end());
191     } else if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(V)) {
192       Stores.push_back(Store);
193     } else if (!isa<LoadInst>(V)) {
194       return true;
195     }
196   }
197
198 // Check to make sure the pointers aren't captured
199   for (StoreInst *Store : Stores)
200     if (PtrValues.count(Store->getValueOperand()))
201       return true;
202
203   return false;
204 }
205
206 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
207 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
208 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
209 /// calls the DoPromotion method.
210 ///
211 CallGraphNode *ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
212   Function *F = CGN->getFunction();
213
214   // Make sure that it is local to this module.
215   if (!F || !F->hasLocalLinkage()) return nullptr;
216
217   // Don't promote arguments for variadic functions. Adding, removing, or
218   // changing non-pack parameters can change the classification of pack
219   // parameters. Frontends encode that classification at the call site in the
220   // IR, while in the callee the classification is determined dynamically based
221   // on the number of registers consumed so far.
222   if (F->isVarArg()) return nullptr;
223
224   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
225   SmallVector<Argument*, 16> PointerArgs;
226   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E; ++I)
227     if (I->getType()->isPointerTy())
228       PointerArgs.push_back(I);
229   if (PointerArgs.empty()) return nullptr;
230
231   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
232   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
233   // is self-recursive.
234   bool isSelfRecursive = false;
235   for (Use &U : F->uses()) {
236     CallSite CS(U.getUser());
237     // Must be a direct call.
238     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U)) return nullptr;
239     
240     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
241       isSelfRecursive = true;
242   }
243   
244   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
245
246   // We need to manually construct BasicAA directly in order to disable its use
247   // of other function analyses.
248   BasicAAResult BAR(createLegacyPMBasicAAResult(*this, *F));
249
250   // Construct our own AA results for this function. We do this manually to
251   // work around the limitations of the legacy pass manager.
252   AAResults AAR(createLegacyPMAAResults(*this, *F, BAR));
253
254   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
255   // add it to ArgsToPromote.
256   SmallPtrSet<Argument*, 8> ArgsToPromote;
257   SmallPtrSet<Argument*, 8> ByValArgsToTransform;
258   for (unsigned i = 0, e = PointerArgs.size(); i != e; ++i) {
259     Argument *PtrArg = PointerArgs[i];
260     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
261
262     // Replace sret attribute with noalias. This reduces register pressure by
263     // avoiding a register copy.
264     if (PtrArg->hasStructRetAttr()) {
265       unsigned ArgNo = PtrArg->getArgNo();
266       F->setAttributes(
267           F->getAttributes()
268               .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::StructRet)
269               .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
270       for (Use &U : F->uses()) {
271         CallSite CS(U.getUser());
272         CS.setAttributes(
273             CS.getAttributes()
274                 .removeAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1,
275                                  Attribute::StructRet)
276                 .addAttribute(F->getContext(), ArgNo + 1, Attribute::NoAlias));
277       }
278     }
279
280     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
281     // pass the elements, which is always safe, if the passed value is densely
282     // packed or if we can prove the padding bytes are never accessed. This does
283     // not apply to inalloca.
284     bool isSafeToPromote =
285         PtrArg->hasByValAttr() &&
286         (isDenselyPacked(AgTy, DL) || !canPaddingBeAccessed(PtrArg));
287     if (isSafeToPromote) {
288       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
289         if (maxElements > 0 && STy->getNumElements() > maxElements) {
290           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
291                 << PtrArg->getName() << "' because it would require adding more"
292                 << " than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
293           continue;
294         }
295         
296         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
297         bool AllSimple = true;
298         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
299           if (!EltTy->isSingleValueType()) {
300             AllSimple = false;
301             break;
302           }
303         }
304
305         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
306         // Passing the elements as a scalar will allow scalarrepl to hack on
307         // the new alloca we introduce.
308         if (AllSimple) {
309           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
310           continue;
311         }
312       }
313     }
314
315     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
316     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
317     if (isSelfRecursive) {
318       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
319         bool RecursiveType = false;
320         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
321           if (EltTy == PtrArg->getType()) {
322             RecursiveType = true;
323             break;
324           }
325         }
326         if (RecursiveType)
327           continue;
328       }
329     }
330     
331     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
332     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr(), AAR))
333       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
334   }
335
336   // No promotable pointer arguments.
337   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty()) 
338     return nullptr;
339
340   return DoPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform);
341 }
342
343 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
344 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
345 static bool AllCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
346   Function *Callee = Arg->getParent();
347   const DataLayout &DL = Callee->getParent()->getDataLayout();
348
349   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
350
351   // Look at all call sites of the function.  At this pointer we know we only
352   // have direct callees.
353   for (User *U : Callee->users()) {
354     CallSite CS(U);
355     assert(CS && "Should only have direct calls!");
356
357     if (!isDereferenceablePointer(CS.getArgument(ArgNo), DL))
358       return false;
359   }
360   return true;
361 }
362
363 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
364 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
365 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
366 ///
367 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
368 static bool IsPrefix(const ArgPromotion::IndicesVector &Prefix,
369                      const ArgPromotion::IndicesVector &Longer) {
370   if (Prefix.size() > Longer.size())
371     return false;
372   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
373 }
374
375
376 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
377 static bool PrefixIn(const ArgPromotion::IndicesVector &Indices,
378                      std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Set) {
379     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
380     Low = Set.upper_bound(Indices);
381     if (Low != Set.begin())
382       Low--;
383     // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
384     // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
385     // prefix exists.
386     //
387     // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
388     return Low != Set.end() && IsPrefix(*Low, Indices);
389 }
390
391 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
392 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
393 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
394 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
395 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
396 static void MarkIndicesSafe(const ArgPromotion::IndicesVector &ToMark,
397                             std::set<ArgPromotion::IndicesVector> &Safe) {
398   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Low;
399   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
400   // Guard against the case where Safe is empty
401   if (Low != Safe.begin())
402     Low--;
403   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
404   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
405   // such prefix exists.
406   if (Low != Safe.end()) {
407     if (IsPrefix(*Low, ToMark))
408       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
409       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
410       return;
411
412     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
413     ++Low;
414   }
415   // Insert
416   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
417   ++Low;
418   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
419   std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
420   while (Low != End && IsPrefix(ToMark, *Low)) {
421     std::set<ArgPromotion::IndicesVector>::iterator Remove = Low;
422     ++Low;
423     Safe.erase(Remove);
424   }
425 }
426
427 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
428 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
429 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
430 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
431 /// arguments passed in.
432 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg,
433                                            bool isByValOrInAlloca,
434                                            AAResults &AAR) const {
435   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
436
437   // Quick exit for unused arguments
438   if (Arg->use_empty())
439     return true;
440
441   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
442   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
443   //
444   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
445   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
446   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
447   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
448   // valid.
449   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
450   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
451   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
452   // original code.
453   //
454   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
455   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
456   //
457   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
458   // that the address isn't captured.
459   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
460
461   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
462   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
463   GEPIndicesSet ToPromote;
464
465   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
466   if (isByValOrInAlloca || AllCallersPassInValidPointerForArgument(Arg))
467     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
468
469   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
470   // safe.
471   BasicBlock *EntryBlock = Arg->getParent()->begin();
472   // Declare this here so we can reuse it
473   IndicesVector Indices;
474   for (BasicBlock::iterator I = EntryBlock->begin(), E = EntryBlock->end();
475        I != E; ++I)
476     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
477       Value *V = LI->getPointerOperand();
478       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
479         V = GEP->getPointerOperand();
480         if (V == Arg) {
481           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
482           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
483           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
484                II != IE; ++II)
485             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
486               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
487             else
488               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
489               // right away, can't promote this argument at all.
490               return false;
491
492           // Indices checked out, mark them as safe
493           MarkIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
494           Indices.clear();
495         }
496       } else if (V == Arg) {
497         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
498         MarkIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
499       }
500     }
501
502   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
503   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
504   SmallVector<LoadInst*, 16> Loads;
505   IndicesVector Operands;
506   for (Use &U : Arg->uses()) {
507     User *UR = U.getUser();
508     Operands.clear();
509     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
510       // Don't hack volatile/atomic loads
511       if (!LI->isSimple()) return false;
512       Loads.push_back(LI);
513       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
514       Operands.push_back(0);
515     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
516       if (GEP->use_empty()) {
517         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
518         // them.
519         GEP->eraseFromParent();
520         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
521         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
522         // use?
523         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca, AAR);
524       }
525
526       // Ensure that all of the indices are constants.
527       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end();
528         i != e; ++i)
529         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
530           Operands.push_back(C->getSExtValue());
531         else
532           return false;  // Not a constant operand GEP!
533
534       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
535       for (User *GEPU : GEP->users())
536         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
537           // Don't hack volatile/atomic loads
538           if (!LI->isSimple()) return false;
539           Loads.push_back(LI);
540         } else {
541           // Other uses than load?
542           return false;
543         }
544     } else {
545       return false;  // Not a load or a GEP.
546     }
547
548     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
549     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
550     if (!PrefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
551       return false;
552
553     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
554     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
555     // to do.
556     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
557       if (maxElements > 0 && ToPromote.size() == maxElements) {
558         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
559               << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
560               << "than " << maxElements << " arguments to the function.\n");
561         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
562         // of elements of the aggregate.
563         return false;
564       }
565       ToPromote.insert(std::move(Operands));
566     }
567   }
568
569   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
570
571   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
572   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
573   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
574   // the function to each of the load instructions.
575
576   // Because there could be several/many load instructions, remember which
577   // blocks we know to be transparent to the load.
578   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> TranspBlocks;
579
580   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
581     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
582     // the load itself.
583     LoadInst *Load = Loads[i];
584     BasicBlock *BB = Load->getParent();
585
586     MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(Load);
587     if (AAR.canInstructionRangeModRef(BB->front(), *Load, Loc, MRI_Mod))
588       return false;  // Pointer is invalidated!
589
590     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
591     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
592     // loading block.
593     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
594       for (BasicBlock *TranspBB : inverse_depth_first_ext(P, TranspBlocks))
595         if (AAR.canBasicBlockModify(*TranspBB, Loc))
596           return false;
597     }
598   }
599
600   // If the path from the entry of the function to each load is free of
601   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
602   // transformation!
603   return true;
604 }
605
606 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
607 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
608 /// safe to do so.
609 CallGraphNode *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
610                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ArgsToPromote,
611                              SmallPtrSetImpl<Argument*> &ByValArgsToTransform) {
612
613   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
614   // the old function, but has modified arguments.
615   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
616   std::vector<Type*> Params;
617
618   typedef std::set<std::pair<Type *, IndicesVector>> ScalarizeTable;
619
620   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
621   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
622   // can add one argument for each.
623   //
624   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
625   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
626   //
627   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
628
629   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
630   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
631   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
632   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
633   // of the argument that are accessed.
634   std::map<std::pair<Argument*, IndicesVector>, LoadInst*> OriginalLoads;
635
636   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
637   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
638   // attributes are lost
639   SmallVector<AttributeSet, 8> AttributesVec;
640   const AttributeSet &PAL = F->getAttributes();
641
642   // Add any return attributes.
643   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
644     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
645                                               PAL.getRetAttributes()));
646
647   // First, determine the new argument list
648   unsigned ArgIndex = 1;
649   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
650        ++I, ++ArgIndex) {
651     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
652       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
653       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
654       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
655       Params.insert(Params.end(), STy->element_begin(), STy->element_end());
656       ++NumByValArgsPromoted;
657     } else if (!ArgsToPromote.count(I)) {
658       // Unchanged argument
659       Params.push_back(I->getType());
660       AttributeSet attrs = PAL.getParamAttributes(ArgIndex);
661       if (attrs.hasAttributes(ArgIndex)) {
662         AttrBuilder B(attrs, ArgIndex);
663         AttributesVec.
664           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Params.size(), B));
665       }
666     } else if (I->use_empty()) {
667       // Dead argument (which are always marked as promotable)
668       ++NumArgumentsDead;
669     } else {
670       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
671       // or GEPs which are only used by loads
672
673       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
674       // (where direct loads are tracked as no indices).
675       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
676       for (User *U : I->users()) {
677         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
678         Type *SrcTy;
679         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
680           SrcTy = L->getType();
681         else
682           SrcTy = cast<GetElementPtrInst>(UI)->getSourceElementType();
683         IndicesVector Indices;
684         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
685         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
686         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
687         // and gep+loads with the GEP indices.
688         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
689              II != IE; ++II)
690           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
691         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
692         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
693           Indices.clear();
694         ArgIndices.insert(std::make_pair(SrcTy, Indices));
695         LoadInst *OrigLoad;
696         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
697           OrigLoad = L;
698         else
699           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
700           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
701         OriginalLoads[std::make_pair(I, Indices)] = OrigLoad;
702       }
703
704       // Add a parameter to the function for each element passed in.
705       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
706              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
707         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
708         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(
709             cast<PointerType>(I->getType()->getScalarType())->getElementType(),
710             SI->second));
711         assert(Params.back());
712       }
713
714       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->second.empty())
715         ++NumArgumentsPromoted;
716       else
717         ++NumAggregatesPromoted;
718     }
719   }
720
721   // Add any function attributes.
722   if (PAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
723     AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(FTy->getContext(),
724                                               PAL.getFnAttributes()));
725
726   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
727
728   // Construct the new function type using the new arguments.
729   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
730
731   // Create the new function body and insert it into the module.
732   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
733   NF->copyAttributesFrom(F);
734
735   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
736   auto DI = FunctionDIs.find(F);
737   if (DI != FunctionDIs.end()) {
738     DISubprogram *SP = DI->second;
739     SP->replaceFunction(NF);
740     // Ensure the map is updated so it can be reused on subsequent argument
741     // promotions of the same function.
742     FunctionDIs.erase(DI);
743     FunctionDIs[NF] = SP;
744   }
745
746   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
747         << "From: " << *F);
748   
749   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
750   // the function.
751   NF->setAttributes(AttributeSet::get(F->getContext(), AttributesVec));
752   AttributesVec.clear();
753
754   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
755   NF->takeName(F);
756
757   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
758   // changes.
759   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
760
761   // Get a new callgraph node for NF.
762   CallGraphNode *NF_CGN = CG.getOrInsertFunction(NF);
763
764   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
765   // to pass in the loaded pointers.
766   //
767   SmallVector<Value*, 16> Args;
768   while (!F->use_empty()) {
769     CallSite CS(F->user_back());
770     assert(CS.getCalledFunction() == F);
771     Instruction *Call = CS.getInstruction();
772     const AttributeSet &CallPAL = CS.getAttributes();
773
774     // Add any return attributes.
775     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::ReturnIndex))
776       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(F->getContext(),
777                                                 CallPAL.getRetAttributes()));
778
779     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
780     // appropriate.
781     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
782     ArgIndex = 1;
783     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
784          I != E; ++I, ++AI, ++ArgIndex)
785       if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
786         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
787
788         if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
789           AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
790           AttributesVec.
791             push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
792         }
793       } else if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
794         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
795         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
796         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
797         Value *Idxs[2] = {
798               ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
799         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
800           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
801           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
802               STy, *AI, Idxs, (*AI)->getName() + "." + Twine(i), Call);
803           // TODO: Tell AA about the new values?
804           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName()+".val", Call));
805         }
806       } else if (!I->use_empty()) {
807         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
808         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
809         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
810         // for reuse.
811         std::vector<Value*> Ops;
812         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
813                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
814           Value *V = *AI;
815           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[std::make_pair(I, SI->second)];
816           if (!SI->second.empty()) {
817             Ops.reserve(SI->second.size());
818             Type *ElTy = V->getType();
819             for (IndicesVector::const_iterator II = SI->second.begin(),
820                                                IE = SI->second.end();
821                  II != IE; ++II) {
822               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
823               // This satisfies GEP constraints.
824               Type *IdxTy = (ElTy->isStructTy() ?
825                     Type::getInt32Ty(F->getContext()) : 
826                     Type::getInt64Ty(F->getContext()));
827               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, *II));
828               // Keep track of the type we're currently indexing.
829               ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(*II);
830             }
831             // And create a GEP to extract those indices.
832             V = GetElementPtrInst::Create(SI->first, V, Ops,
833                                           V->getName() + ".idx", Call);
834             Ops.clear();
835           }
836           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
837           // of the previous load.
838           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call);
839           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
840           // Transfer the AA info too.
841           AAMDNodes AAInfo;
842           OrigLoad->getAAMetadata(AAInfo);
843           newLoad->setAAMetadata(AAInfo);
844
845           Args.push_back(newLoad);
846         }
847       }
848
849     // Push any varargs arguments on the list.
850     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgIndex) {
851       Args.push_back(*AI);
852       if (CallPAL.hasAttributes(ArgIndex)) {
853         AttrBuilder B(CallPAL, ArgIndex);
854         AttributesVec.
855           push_back(AttributeSet::get(F->getContext(), Args.size(), B));
856       }
857     }
858
859     // Add any function attributes.
860     if (CallPAL.hasAttributes(AttributeSet::FunctionIndex))
861       AttributesVec.push_back(AttributeSet::get(Call->getContext(),
862                                                 CallPAL.getFnAttributes()));
863
864     Instruction *New;
865     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
866       New = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
867                                Args, "", Call);
868       cast<InvokeInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
869       cast<InvokeInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(II->getContext(),
870                                                             AttributesVec));
871     } else {
872       New = CallInst::Create(NF, Args, "", Call);
873       cast<CallInst>(New)->setCallingConv(CS.getCallingConv());
874       cast<CallInst>(New)->setAttributes(AttributeSet::get(New->getContext(),
875                                                           AttributesVec));
876       if (cast<CallInst>(Call)->isTailCall())
877         cast<CallInst>(New)->setTailCall();
878     }
879     New->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
880     Args.clear();
881     AttributesVec.clear();
882
883     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
884     CallGraphNode *CalleeNode = CG[Call->getParent()->getParent()];
885     CalleeNode->replaceCallEdge(CS, CallSite(New), NF_CGN);
886
887     if (!Call->use_empty()) {
888       Call->replaceAllUsesWith(New);
889       New->takeName(Call);
890     }
891
892     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
893     // F.
894     Call->eraseFromParent();
895   }
896
897   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
898   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
899   // function empty.
900   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
901
902   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
903   // the new arguments, also transferring over the names as well.
904   //
905   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
906        I2 = NF->arg_begin(); I != E; ++I) {
907     if (!ArgsToPromote.count(I) && !ByValArgsToTransform.count(I)) {
908       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
909       // new version.
910       I->replaceAllUsesWith(I2);
911       I2->takeName(I);
912       ++I2;
913       continue;
914     }
915
916     if (ByValArgsToTransform.count(I)) {
917       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
918       // arguments into the alloca.
919       Instruction *InsertPt = NF->begin()->begin();
920
921       // Just add all the struct element types.
922       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
923       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, nullptr, "", InsertPt);
924       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
925       Value *Idxs[2] = {
926             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr };
927
928       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
929         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
930         Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
931             AgTy, TheAlloca, Idxs, TheAlloca->getName() + "." + Twine(i),
932             InsertPt);
933         I2->setName(I->getName()+"."+Twine(i));
934         new StoreInst(I2++, Idx, InsertPt);
935       }
936
937       // Anything that used the arg should now use the alloca.
938       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
939       TheAlloca->takeName(I);
940
941       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
942       // the callee now uses an alloca from the caller.
943       for (User *U : TheAlloca->users()) {
944         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
945         if (!Call)
946           continue;
947         Call->setTailCall(false);
948       }
949       continue;
950     }
951
952     if (I->use_empty())
953       continue;
954
955     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
956     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
957     // using the new argument that we added.
958     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
959
960     while (!I->use_empty()) {
961       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
962         assert(ArgIndices.begin()->second.empty() &&
963                "Load element should sort to front!");
964         I2->setName(I->getName()+".val");
965         LI->replaceAllUsesWith(I2);
966         LI->eraseFromParent();
967         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
968               << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
969       } else {
970         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
971         IndicesVector Operands;
972         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
973         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
974              II != IE; ++II)
975           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
976
977         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
978         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
979           Operands.clear();
980
981         Function::arg_iterator TheArg = I2;
982         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
983              It->second != Operands; ++It, ++TheArg) {
984           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
985         }
986
987         std::string NewName = I->getName();
988         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
989             NewName += "." + utostr(Operands[i]);
990         }
991         NewName += ".val";
992         TheArg->setName(NewName);
993
994         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
995               << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
996
997         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
998         // the argument specified by ArgNo.
999         while (!GEP->use_empty()) {
1000           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
1001           L->replaceAllUsesWith(TheArg);
1002           L->eraseFromParent();
1003         }
1004         GEP->eraseFromParent();
1005       }
1006     }
1007
1008     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
1009     std::advance(I2, ArgIndices.size());
1010   }
1011
1012   NF_CGN->stealCalledFunctionsFrom(CG[F]);
1013   
1014   // Now that the old function is dead, delete it.  If there is a dangling
1015   // reference to the CallgraphNode, just leave the dead function around for
1016   // someone else to nuke.
1017   CallGraphNode *CGN = CG[F];
1018   if (CGN->getNumReferences() == 0)
1019     delete CG.removeFunctionFromModule(CGN);
1020   else
1021     F->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
1022   
1023   return NF_CGN;
1024 }
1025
1026 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
1027   FunctionDIs = makeSubprogramMap(CG.getModule());
1028   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
1029 }