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