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