668b7d819ef50b3e82e678750c792d478849febd
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / GlobalOpt.cpp
1 //===- GlobalOpt.cpp - Optimize Global Variables --------------------------===//
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 transforms simple global variables that never have their address
11 // taken.  If obviously true, it marks read/write globals as constant, deletes
12 // variables only stored to, etc.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15
16 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
17 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
18 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
19 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
20 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
21 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
22 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
23 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
24 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
25 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
26 #include "llvm/IR/CallSite.h"
27 #include "llvm/IR/CallingConv.h"
28 #include "llvm/IR/Constants.h"
29 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
30 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
31 #include "llvm/IR/Dominators.h"
32 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
33 #include "llvm/IR/Instructions.h"
34 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/IR/Module.h"
36 #include "llvm/IR/Operator.h"
37 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
38 #include "llvm/Pass.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
41 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
42 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/CtorUtils.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/GlobalStatus.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h"
46 #include <algorithm>
47 #include <deque>
48 using namespace llvm;
49
50 #define DEBUG_TYPE "globalopt"
51
52 STATISTIC(NumMarked    , "Number of globals marked constant");
53 STATISTIC(NumUnnamed   , "Number of globals marked unnamed_addr");
54 STATISTIC(NumSRA       , "Number of aggregate globals broken into scalars");
55 STATISTIC(NumHeapSRA   , "Number of heap objects SRA'd");
56 STATISTIC(NumSubstitute,"Number of globals with initializers stored into them");
57 STATISTIC(NumDeleted   , "Number of globals deleted");
58 STATISTIC(NumFnDeleted , "Number of functions deleted");
59 STATISTIC(NumGlobUses  , "Number of global uses devirtualized");
60 STATISTIC(NumLocalized , "Number of globals localized");
61 STATISTIC(NumShrunkToBool  , "Number of global vars shrunk to booleans");
62 STATISTIC(NumFastCallFns   , "Number of functions converted to fastcc");
63 STATISTIC(NumCtorsEvaluated, "Number of static ctors evaluated");
64 STATISTIC(NumNestRemoved   , "Number of nest attributes removed");
65 STATISTIC(NumAliasesResolved, "Number of global aliases resolved");
66 STATISTIC(NumAliasesRemoved, "Number of global aliases eliminated");
67 STATISTIC(NumCXXDtorsRemoved, "Number of global C++ destructors removed");
68
69 namespace {
70   struct GlobalOpt : public ModulePass {
71     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
72       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
73       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
74     }
75     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
76     GlobalOpt() : ModulePass(ID) {
77       initializeGlobalOptPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
78     }
79
80     bool runOnModule(Module &M) override;
81
82   private:
83     bool OptimizeFunctions(Module &M);
84     bool OptimizeGlobalVars(Module &M);
85     bool OptimizeGlobalAliases(Module &M);
86     bool processGlobal(GlobalVariable *GV);
87     bool processInternalGlobal(GlobalVariable *GV, const GlobalStatus &GS);
88     bool OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(Function *CXAAtExitFn);
89
90     bool isPointerValueDeadOnEntryToFunction(const Function *F,
91                                              GlobalValue *GV);
92
93     TargetLibraryInfo *TLI;
94     SmallSet<const Comdat *, 8> NotDiscardableComdats;
95   };
96 }
97
98 char GlobalOpt::ID = 0;
99 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalOpt, "globalopt",
100                 "Global Variable Optimizer", false, false)
101 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
102 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
103 INITIALIZE_PASS_END(GlobalOpt, "globalopt",
104                 "Global Variable Optimizer", false, false)
105
106 ModulePass *llvm::createGlobalOptimizerPass() { return new GlobalOpt(); }
107
108 /// Is this global variable possibly used by a leak checker as a root?  If so,
109 /// we might not really want to eliminate the stores to it.
110 static bool isLeakCheckerRoot(GlobalVariable *GV) {
111   // A global variable is a root if it is a pointer, or could plausibly contain
112   // a pointer.  There are two challenges; one is that we could have a struct
113   // the has an inner member which is a pointer.  We recurse through the type to
114   // detect these (up to a point).  The other is that we may actually be a union
115   // of a pointer and another type, and so our LLVM type is an integer which
116   // gets converted into a pointer, or our type is an [i8 x #] with a pointer
117   // potentially contained here.
118
119   if (GV->hasPrivateLinkage())
120     return false;
121
122   SmallVector<Type *, 4> Types;
123   Types.push_back(cast<PointerType>(GV->getType())->getElementType());
124
125   unsigned Limit = 20;
126   do {
127     Type *Ty = Types.pop_back_val();
128     switch (Ty->getTypeID()) {
129       default: break;
130       case Type::PointerTyID: return true;
131       case Type::ArrayTyID:
132       case Type::VectorTyID: {
133         SequentialType *STy = cast<SequentialType>(Ty);
134         Types.push_back(STy->getElementType());
135         break;
136       }
137       case Type::StructTyID: {
138         StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
139         if (STy->isOpaque()) return true;
140         for (StructType::element_iterator I = STy->element_begin(),
141                  E = STy->element_end(); I != E; ++I) {
142           Type *InnerTy = *I;
143           if (isa<PointerType>(InnerTy)) return true;
144           if (isa<CompositeType>(InnerTy))
145             Types.push_back(InnerTy);
146         }
147         break;
148       }
149     }
150     if (--Limit == 0) return true;
151   } while (!Types.empty());
152   return false;
153 }
154
155 /// Given a value that is stored to a global but never read, determine whether
156 /// it's safe to remove the store and the chain of computation that feeds the
157 /// store.
158 static bool IsSafeComputationToRemove(Value *V, const TargetLibraryInfo *TLI) {
159   do {
160     if (isa<Constant>(V))
161       return true;
162     if (!V->hasOneUse())
163       return false;
164     if (isa<LoadInst>(V) || isa<InvokeInst>(V) || isa<Argument>(V) ||
165         isa<GlobalValue>(V))
166       return false;
167     if (isAllocationFn(V, TLI))
168       return true;
169
170     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
171     if (I->mayHaveSideEffects())
172       return false;
173     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
174       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
175         return false;
176     } else if (I->getNumOperands() != 1) {
177       return false;
178     }
179
180     V = I->getOperand(0);
181   } while (1);
182 }
183
184 /// This GV is a pointer root.  Loop over all users of the global and clean up
185 /// any that obviously don't assign the global a value that isn't dynamically
186 /// allocated.
187 static bool CleanupPointerRootUsers(GlobalVariable *GV,
188                                     const TargetLibraryInfo *TLI) {
189   // A brief explanation of leak checkers.  The goal is to find bugs where
190   // pointers are forgotten, causing an accumulating growth in memory
191   // usage over time.  The common strategy for leak checkers is to whitelist the
192   // memory pointed to by globals at exit.  This is popular because it also
193   // solves another problem where the main thread of a C++ program may shut down
194   // before other threads that are still expecting to use those globals.  To
195   // handle that case, we expect the program may create a singleton and never
196   // destroy it.
197
198   bool Changed = false;
199
200   // If Dead[n].first is the only use of a malloc result, we can delete its
201   // chain of computation and the store to the global in Dead[n].second.
202   SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 32> Dead;
203
204   // Constants can't be pointers to dynamically allocated memory.
205   for (Value::user_iterator UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end();
206        UI != E;) {
207     User *U = *UI++;
208     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
209       Value *V = SI->getValueOperand();
210       if (isa<Constant>(V)) {
211         Changed = true;
212         SI->eraseFromParent();
213       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
214         if (I->hasOneUse())
215           Dead.push_back(std::make_pair(I, SI));
216       }
217     } else if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(U)) {
218       if (isa<Constant>(MSI->getValue())) {
219         Changed = true;
220         MSI->eraseFromParent();
221       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MSI->getValue())) {
222         if (I->hasOneUse())
223           Dead.push_back(std::make_pair(I, MSI));
224       }
225     } else if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(U)) {
226       GlobalVariable *MemSrc = dyn_cast<GlobalVariable>(MTI->getSource());
227       if (MemSrc && MemSrc->isConstant()) {
228         Changed = true;
229         MTI->eraseFromParent();
230       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MemSrc)) {
231         if (I->hasOneUse())
232           Dead.push_back(std::make_pair(I, MTI));
233       }
234     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
235       if (CE->use_empty()) {
236         CE->destroyConstant();
237         Changed = true;
238       }
239     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
240       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
241         C->destroyConstant();
242         // This could have invalidated UI, start over from scratch.
243         Dead.clear();
244         CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
245         return true;
246       }
247     }
248   }
249
250   for (int i = 0, e = Dead.size(); i != e; ++i) {
251     if (IsSafeComputationToRemove(Dead[i].first, TLI)) {
252       Dead[i].second->eraseFromParent();
253       Instruction *I = Dead[i].first;
254       do {
255         if (isAllocationFn(I, TLI))
256           break;
257         Instruction *J = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
258         if (!J)
259           break;
260         I->eraseFromParent();
261         I = J;
262       } while (1);
263       I->eraseFromParent();
264     }
265   }
266
267   return Changed;
268 }
269
270 /// We just marked GV constant.  Loop over all users of the global, cleaning up
271 /// the obvious ones.  This is largely just a quick scan over the use list to
272 /// clean up the easy and obvious cruft.  This returns true if it made a change.
273 static bool CleanupConstantGlobalUsers(Value *V, Constant *Init,
274                                        const DataLayout &DL,
275                                        TargetLibraryInfo *TLI) {
276   bool Changed = false;
277   // Note that we need to use a weak value handle for the worklist items. When
278   // we delete a constant array, we may also be holding pointer to one of its
279   // elements (or an element of one of its elements if we're dealing with an
280   // array of arrays) in the worklist.
281   SmallVector<WeakVH, 8> WorkList(V->user_begin(), V->user_end());
282   while (!WorkList.empty()) {
283     Value *UV = WorkList.pop_back_val();
284     if (!UV)
285       continue;
286
287     User *U = cast<User>(UV);
288
289     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
290       if (Init) {
291         // Replace the load with the initializer.
292         LI->replaceAllUsesWith(Init);
293         LI->eraseFromParent();
294         Changed = true;
295       }
296     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
297       // Store must be unreachable or storing Init into the global.
298       SI->eraseFromParent();
299       Changed = true;
300     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
301       if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr) {
302         Constant *SubInit = nullptr;
303         if (Init)
304           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
305         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, SubInit, DL, TLI);
306       } else if ((CE->getOpcode() == Instruction::BitCast &&
307                   CE->getType()->isPointerTy()) ||
308                  CE->getOpcode() == Instruction::AddrSpaceCast) {
309         // Pointer cast, delete any stores and memsets to the global.
310         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, nullptr, DL, TLI);
311       }
312
313       if (CE->use_empty()) {
314         CE->destroyConstant();
315         Changed = true;
316       }
317     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
318       // Do not transform "gepinst (gep constexpr (GV))" here, because forming
319       // "gepconstexpr (gep constexpr (GV))" will cause the two gep's to fold
320       // and will invalidate our notion of what Init is.
321       Constant *SubInit = nullptr;
322       if (!isa<ConstantExpr>(GEP->getOperand(0))) {
323         ConstantExpr *CE = dyn_cast_or_null<ConstantExpr>(
324             ConstantFoldInstruction(GEP, DL, TLI));
325         if (Init && CE && CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
326           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
327
328         // If the initializer is an all-null value and we have an inbounds GEP,
329         // we already know what the result of any load from that GEP is.
330         // TODO: Handle splats.
331         if (Init && isa<ConstantAggregateZero>(Init) && GEP->isInBounds())
332           SubInit = Constant::getNullValue(GEP->getType()->getElementType());
333       }
334       Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(GEP, SubInit, DL, TLI);
335
336       if (GEP->use_empty()) {
337         GEP->eraseFromParent();
338         Changed = true;
339       }
340     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(U)) { // memset/cpy/mv
341       if (MI->getRawDest() == V) {
342         MI->eraseFromParent();
343         Changed = true;
344       }
345
346     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
347       // If we have a chain of dead constantexprs or other things dangling from
348       // us, and if they are all dead, nuke them without remorse.
349       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
350         C->destroyConstant();
351         CleanupConstantGlobalUsers(V, Init, DL, TLI);
352         return true;
353       }
354     }
355   }
356   return Changed;
357 }
358
359 /// Return true if the specified instruction is a safe user of a derived
360 /// expression from a global that we want to SROA.
361 static bool isSafeSROAElementUse(Value *V) {
362   // We might have a dead and dangling constant hanging off of here.
363   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
364     return isSafeToDestroyConstant(C);
365
366   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
367   if (!I) return false;
368
369   // Loads are ok.
370   if (isa<LoadInst>(I)) return true;
371
372   // Stores *to* the pointer are ok.
373   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
374     return SI->getOperand(0) != V;
375
376   // Otherwise, it must be a GEP.
377   GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I);
378   if (!GEPI) return false;
379
380   if (GEPI->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEPI->getOperand(1)) ||
381       !cast<Constant>(GEPI->getOperand(1))->isNullValue())
382     return false;
383
384   for (User *U : GEPI->users())
385     if (!isSafeSROAElementUse(U))
386       return false;
387   return true;
388 }
389
390
391 /// U is a direct user of the specified global value.  Look at it and its uses
392 /// and decide whether it is safe to SROA this global.
393 static bool IsUserOfGlobalSafeForSRA(User *U, GlobalValue *GV) {
394   // The user of the global must be a GEP Inst or a ConstantExpr GEP.
395   if (!isa<GetElementPtrInst>(U) &&
396       (!isa<ConstantExpr>(U) ||
397        cast<ConstantExpr>(U)->getOpcode() != Instruction::GetElementPtr))
398     return false;
399
400   // Check to see if this ConstantExpr GEP is SRA'able.  In particular, we
401   // don't like < 3 operand CE's, and we don't like non-constant integer
402   // indices.  This enforces that all uses are 'gep GV, 0, C, ...' for some
403   // value of C.
404   if (U->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(U->getOperand(1)) ||
405       !cast<Constant>(U->getOperand(1))->isNullValue() ||
406       !isa<ConstantInt>(U->getOperand(2)))
407     return false;
408
409   gep_type_iterator GEPI = gep_type_begin(U), E = gep_type_end(U);
410   ++GEPI;  // Skip over the pointer index.
411
412   // If this is a use of an array allocation, do a bit more checking for sanity.
413   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI)) {
414     uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
415     ConstantInt *Idx = cast<ConstantInt>(U->getOperand(2));
416
417     // Check to make sure that index falls within the array.  If not,
418     // something funny is going on, so we won't do the optimization.
419     //
420     if (Idx->getZExtValue() >= NumElements)
421       return false;
422
423     // We cannot scalar repl this level of the array unless any array
424     // sub-indices are in-range constants.  In particular, consider:
425     // A[0][i].  We cannot know that the user isn't doing invalid things like
426     // allowing i to index an out-of-range subscript that accesses A[1].
427     //
428     // Scalar replacing *just* the outer index of the array is probably not
429     // going to be a win anyway, so just give up.
430     for (++GEPI; // Skip array index.
431          GEPI != E;
432          ++GEPI) {
433       uint64_t NumElements;
434       if (ArrayType *SubArrayTy = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI))
435         NumElements = SubArrayTy->getNumElements();
436       else if (VectorType *SubVectorTy = dyn_cast<VectorType>(*GEPI))
437         NumElements = SubVectorTy->getNumElements();
438       else {
439         assert((*GEPI)->isStructTy() &&
440                "Indexed GEP type is not array, vector, or struct!");
441         continue;
442       }
443
444       ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPI.getOperand());
445       if (!IdxVal || IdxVal->getZExtValue() >= NumElements)
446         return false;
447     }
448   }
449
450   for (User *UU : U->users())
451     if (!isSafeSROAElementUse(UU))
452       return false;
453
454   return true;
455 }
456
457 /// Look at all uses of the global and decide whether it is safe for us to
458 /// perform this transformation.
459 static bool GlobalUsersSafeToSRA(GlobalValue *GV) {
460   for (User *U : GV->users())
461     if (!IsUserOfGlobalSafeForSRA(U, GV))
462       return false;
463
464   return true;
465 }
466
467
468 /// Perform scalar replacement of aggregates on the specified global variable.
469 /// This opens the door for other optimizations by exposing the behavior of the
470 /// program in a more fine-grained way.  We have determined that this
471 /// transformation is safe already.  We return the first global variable we
472 /// insert so that the caller can reprocess it.
473 static GlobalVariable *SRAGlobal(GlobalVariable *GV, const DataLayout &DL) {
474   // Make sure this global only has simple uses that we can SRA.
475   if (!GlobalUsersSafeToSRA(GV))
476     return nullptr;
477
478   assert(GV->hasLocalLinkage() && !GV->isConstant());
479   Constant *Init = GV->getInitializer();
480   Type *Ty = Init->getType();
481
482   std::vector<GlobalVariable*> NewGlobals;
483   Module::GlobalListType &Globals = GV->getParent()->getGlobalList();
484
485   // Get the alignment of the global, either explicit or target-specific.
486   unsigned StartAlignment = GV->getAlignment();
487   if (StartAlignment == 0)
488     StartAlignment = DL.getABITypeAlignment(GV->getType());
489
490   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
491     NewGlobals.reserve(STy->getNumElements());
492     const StructLayout &Layout = *DL.getStructLayout(STy);
493     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
494       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
495       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
496       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(i), false,
497                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
498                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
499                                                GV->getThreadLocalMode(),
500                                               GV->getType()->getAddressSpace());
501       NGV->setExternallyInitialized(GV->isExternallyInitialized());
502       Globals.push_back(NGV);
503       NewGlobals.push_back(NGV);
504
505       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
506       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
507       // propagate info to each field.
508       uint64_t FieldOffset = Layout.getElementOffset(i);
509       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, FieldOffset);
510       if (NewAlign > DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType(i)))
511         NGV->setAlignment(NewAlign);
512     }
513   } else if (SequentialType *STy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
514     unsigned NumElements = 0;
515     if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(STy))
516       NumElements = ATy->getNumElements();
517     else
518       NumElements = cast<VectorType>(STy)->getNumElements();
519
520     if (NumElements > 16 && GV->hasNUsesOrMore(16))
521       return nullptr; // It's not worth it.
522     NewGlobals.reserve(NumElements);
523
524     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSize(STy->getElementType());
525     unsigned EltAlign = DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType());
526     for (unsigned i = 0, e = NumElements; i != e; ++i) {
527       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
528       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
529
530       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(), false,
531                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
532                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
533                                                GV->getThreadLocalMode(),
534                                               GV->getType()->getAddressSpace());
535       NGV->setExternallyInitialized(GV->isExternallyInitialized());
536       Globals.push_back(NGV);
537       NewGlobals.push_back(NGV);
538
539       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
540       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
541       // propagate info to each field.
542       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, EltSize*i);
543       if (NewAlign > EltAlign)
544         NGV->setAlignment(NewAlign);
545     }
546   }
547
548   if (NewGlobals.empty())
549     return nullptr;
550
551   DEBUG(dbgs() << "PERFORMING GLOBAL SRA ON: " << *GV << "\n");
552
553   Constant *NullInt =Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(GV->getContext()));
554
555   // Loop over all of the uses of the global, replacing the constantexpr geps,
556   // with smaller constantexpr geps or direct references.
557   while (!GV->use_empty()) {
558     User *GEP = GV->user_back();
559     assert(((isa<ConstantExpr>(GEP) &&
560              cast<ConstantExpr>(GEP)->getOpcode()==Instruction::GetElementPtr)||
561             isa<GetElementPtrInst>(GEP)) && "NonGEP CE's are not SRAable!");
562
563     // Ignore the 1th operand, which has to be zero or else the program is quite
564     // broken (undefined).  Get the 2nd operand, which is the structure or array
565     // index.
566     unsigned Val = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
567     if (Val >= NewGlobals.size()) Val = 0; // Out of bound array access.
568
569     Value *NewPtr = NewGlobals[Val];
570     Type *NewTy = NewGlobals[Val]->getValueType();
571
572     // Form a shorter GEP if needed.
573     if (GEP->getNumOperands() > 3) {
574       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GEP)) {
575         SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
576         Idxs.push_back(NullInt);
577         for (unsigned i = 3, e = CE->getNumOperands(); i != e; ++i)
578           Idxs.push_back(CE->getOperand(i));
579         NewPtr =
580             ConstantExpr::getGetElementPtr(NewTy, cast<Constant>(NewPtr), Idxs);
581       } else {
582         GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(GEP);
583         SmallVector<Value*, 8> Idxs;
584         Idxs.push_back(NullInt);
585         for (unsigned i = 3, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i)
586           Idxs.push_back(GEPI->getOperand(i));
587         NewPtr = GetElementPtrInst::Create(
588             NewTy, NewPtr, Idxs, GEPI->getName() + "." + Twine(Val), GEPI);
589       }
590     }
591     GEP->replaceAllUsesWith(NewPtr);
592
593     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(GEP))
594       GEPI->eraseFromParent();
595     else
596       cast<ConstantExpr>(GEP)->destroyConstant();
597   }
598
599   // Delete the old global, now that it is dead.
600   Globals.erase(GV);
601   ++NumSRA;
602
603   // Loop over the new globals array deleting any globals that are obviously
604   // dead.  This can arise due to scalarization of a structure or an array that
605   // has elements that are dead.
606   unsigned FirstGlobal = 0;
607   for (unsigned i = 0, e = NewGlobals.size(); i != e; ++i)
608     if (NewGlobals[i]->use_empty()) {
609       Globals.erase(NewGlobals[i]);
610       if (FirstGlobal == i) ++FirstGlobal;
611     }
612
613   return FirstGlobal != NewGlobals.size() ? NewGlobals[FirstGlobal] : nullptr;
614 }
615
616 /// Return true if all users of the specified value will trap if the value is
617 /// dynamically null.  PHIs keeps track of any phi nodes we've seen to avoid
618 /// reprocessing them.
619 static bool AllUsesOfValueWillTrapIfNull(const Value *V,
620                                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &PHIs) {
621   for (const User *U : V->users())
622     if (isa<LoadInst>(U)) {
623       // Will trap.
624     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
625       if (SI->getOperand(0) == V) {
626         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
627         return false;  // Storing the value.
628       }
629     } else if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(U)) {
630       if (CI->getCalledValue() != V) {
631         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
632         return false;  // Not calling the ptr
633       }
634     } else if (const InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(U)) {
635       if (II->getCalledValue() != V) {
636         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
637         return false;  // Not calling the ptr
638       }
639     } else if (const BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
640       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(CI, PHIs)) return false;
641     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
642       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(GEPI, PHIs)) return false;
643     } else if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
644       // If we've already seen this phi node, ignore it, it has already been
645       // checked.
646       if (PHIs.insert(PN).second && !AllUsesOfValueWillTrapIfNull(PN, PHIs))
647         return false;
648     } else if (isa<ICmpInst>(U) &&
649                isa<ConstantPointerNull>(U->getOperand(1))) {
650       // Ignore icmp X, null
651     } else {
652       //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
653       return false;
654     }
655
656   return true;
657 }
658
659 /// Return true if all uses of any loads from GV will trap if the loaded value
660 /// is null.  Note that this also permits comparisons of the loaded value
661 /// against null, as a special case.
662 static bool AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(const GlobalVariable *GV) {
663   for (const User *U : GV->users())
664     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
665       SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
666       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(LI, PHIs))
667         return false;
668     } else if (isa<StoreInst>(U)) {
669       // Ignore stores to the global.
670     } else {
671       // We don't know or understand this user, bail out.
672       //cerr << "UNKNOWN USER OF GLOBAL!: " << *U;
673       return false;
674     }
675   return true;
676 }
677
678 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(Value *V, Constant *NewV) {
679   bool Changed = false;
680   for (auto UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; ) {
681     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI++);
682     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
683       LI->setOperand(0, NewV);
684       Changed = true;
685     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
686       if (SI->getOperand(1) == V) {
687         SI->setOperand(1, NewV);
688         Changed = true;
689       }
690     } else if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) {
691       CallSite CS(I);
692       if (CS.getCalledValue() == V) {
693         // Calling through the pointer!  Turn into a direct call, but be careful
694         // that the pointer is not also being passed as an argument.
695         CS.setCalledFunction(NewV);
696         Changed = true;
697         bool PassedAsArg = false;
698         for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
699           if (CS.getArgument(i) == V) {
700             PassedAsArg = true;
701             CS.setArgument(i, NewV);
702           }
703
704         if (PassedAsArg) {
705           // Being passed as an argument also.  Be careful to not invalidate UI!
706           UI = V->user_begin();
707         }
708       }
709     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(I)) {
710       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(CI,
711                                 ConstantExpr::getCast(CI->getOpcode(),
712                                                       NewV, CI->getType()));
713       if (CI->use_empty()) {
714         Changed = true;
715         CI->eraseFromParent();
716       }
717     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
718       // Should handle GEP here.
719       SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
720       Idxs.reserve(GEPI->getNumOperands()-1);
721       for (User::op_iterator i = GEPI->op_begin() + 1, e = GEPI->op_end();
722            i != e; ++i)
723         if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*i))
724           Idxs.push_back(C);
725         else
726           break;
727       if (Idxs.size() == GEPI->getNumOperands()-1)
728         Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(
729             GEPI, ConstantExpr::getGetElementPtr(nullptr, NewV, Idxs));
730       if (GEPI->use_empty()) {
731         Changed = true;
732         GEPI->eraseFromParent();
733       }
734     }
735   }
736
737   return Changed;
738 }
739
740
741 /// The specified global has only one non-null value stored into it.  If there
742 /// are uses of the loaded value that would trap if the loaded value is
743 /// dynamically null, then we know that they cannot be reachable with a null
744 /// optimize away the load.
745 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GlobalVariable *GV, Constant *LV,
746                                             const DataLayout &DL,
747                                             TargetLibraryInfo *TLI) {
748   bool Changed = false;
749
750   // Keep track of whether we are able to remove all the uses of the global
751   // other than the store that defines it.
752   bool AllNonStoreUsesGone = true;
753
754   // Replace all uses of loads with uses of uses of the stored value.
755   for (Value::user_iterator GUI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); GUI != E;){
756     User *GlobalUser = *GUI++;
757     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GlobalUser)) {
758       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(LI, LV);
759       // If we were able to delete all uses of the loads
760       if (LI->use_empty()) {
761         LI->eraseFromParent();
762         Changed = true;
763       } else {
764         AllNonStoreUsesGone = false;
765       }
766     } else if (isa<StoreInst>(GlobalUser)) {
767       // Ignore the store that stores "LV" to the global.
768       assert(GlobalUser->getOperand(1) == GV &&
769              "Must be storing *to* the global");
770     } else {
771       AllNonStoreUsesGone = false;
772
773       // If we get here we could have other crazy uses that are transitively
774       // loaded.
775       assert((isa<PHINode>(GlobalUser) || isa<SelectInst>(GlobalUser) ||
776               isa<ConstantExpr>(GlobalUser) || isa<CmpInst>(GlobalUser) ||
777               isa<BitCastInst>(GlobalUser) ||
778               isa<GetElementPtrInst>(GlobalUser)) &&
779              "Only expect load and stores!");
780     }
781   }
782
783   if (Changed) {
784     DEBUG(dbgs() << "OPTIMIZED LOADS FROM STORED ONCE POINTER: " << *GV << "\n");
785     ++NumGlobUses;
786   }
787
788   // If we nuked all of the loads, then none of the stores are needed either,
789   // nor is the global.
790   if (AllNonStoreUsesGone) {
791     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
792       Changed |= CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
793     } else {
794       Changed = true;
795       CleanupConstantGlobalUsers(GV, nullptr, DL, TLI);
796     }
797     if (GV->use_empty()) {
798       DEBUG(dbgs() << "  *** GLOBAL NOW DEAD!\n");
799       Changed = true;
800       GV->eraseFromParent();
801       ++NumDeleted;
802     }
803   }
804   return Changed;
805 }
806
807 /// Walk the use list of V, constant folding all of the instructions that are
808 /// foldable.
809 static void ConstantPropUsersOf(Value *V, const DataLayout &DL,
810                                 TargetLibraryInfo *TLI) {
811   for (Value::user_iterator UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; )
812     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(*UI++))
813       if (Constant *NewC = ConstantFoldInstruction(I, DL, TLI)) {
814         I->replaceAllUsesWith(NewC);
815
816         // Advance UI to the next non-I use to avoid invalidating it!
817         // Instructions could multiply use V.
818         while (UI != E && *UI == I)
819           ++UI;
820         I->eraseFromParent();
821       }
822 }
823
824 /// This function takes the specified global variable, and transforms the
825 /// program as if it always contained the result of the specified malloc.
826 /// Because it is always the result of the specified malloc, there is no reason
827 /// to actually DO the malloc.  Instead, turn the malloc into a global, and any
828 /// loads of GV as uses of the new global.
829 static GlobalVariable *
830 OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GlobalVariable *GV, CallInst *CI, Type *AllocTy,
831                               ConstantInt *NElements, const DataLayout &DL,
832                               TargetLibraryInfo *TLI) {
833   DEBUG(errs() << "PROMOTING GLOBAL: " << *GV << "  CALL = " << *CI << '\n');
834
835   Type *GlobalType;
836   if (NElements->getZExtValue() == 1)
837     GlobalType = AllocTy;
838   else
839     // If we have an array allocation, the global variable is of an array.
840     GlobalType = ArrayType::get(AllocTy, NElements->getZExtValue());
841
842   // Create the new global variable.  The contents of the malloc'd memory is
843   // undefined, so initialize with an undef value.
844   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(
845       *GV->getParent(), GlobalType, false, GlobalValue::InternalLinkage,
846       UndefValue::get(GlobalType), GV->getName() + ".body", nullptr,
847       GV->getThreadLocalMode());
848
849   // If there are bitcast users of the malloc (which is typical, usually we have
850   // a malloc + bitcast) then replace them with uses of the new global.  Update
851   // other users to use the global as well.
852   BitCastInst *TheBC = nullptr;
853   while (!CI->use_empty()) {
854     Instruction *User = cast<Instruction>(CI->user_back());
855     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
856       if (BCI->getType() == NewGV->getType()) {
857         BCI->replaceAllUsesWith(NewGV);
858         BCI->eraseFromParent();
859       } else {
860         BCI->setOperand(0, NewGV);
861       }
862     } else {
863       if (!TheBC)
864         TheBC = new BitCastInst(NewGV, CI->getType(), "newgv", CI);
865       User->replaceUsesOfWith(CI, TheBC);
866     }
867   }
868
869   Constant *RepValue = NewGV;
870   if (NewGV->getType() != GV->getType()->getElementType())
871     RepValue = ConstantExpr::getBitCast(RepValue,
872                                         GV->getType()->getElementType());
873
874   // If there is a comparison against null, we will insert a global bool to
875   // keep track of whether the global was initialized yet or not.
876   GlobalVariable *InitBool =
877     new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()), false,
878                        GlobalValue::InternalLinkage,
879                        ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
880                        GV->getName()+".init", GV->getThreadLocalMode());
881   bool InitBoolUsed = false;
882
883   // Loop over all uses of GV, processing them in turn.
884   while (!GV->use_empty()) {
885     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GV->user_back())) {
886       // The global is initialized when the store to it occurs.
887       new StoreInst(ConstantInt::getTrue(GV->getContext()), InitBool, false, 0,
888                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
889       SI->eraseFromParent();
890       continue;
891     }
892
893     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(GV->user_back());
894     while (!LI->use_empty()) {
895       Use &LoadUse = *LI->use_begin();
896       ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUse.getUser());
897       if (!ICI) {
898         LoadUse = RepValue;
899         continue;
900       }
901
902       // Replace the cmp X, 0 with a use of the bool value.
903       // Sink the load to where the compare was, if atomic rules allow us to.
904       Value *LV = new LoadInst(InitBool, InitBool->getName()+".val", false, 0,
905                                LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(),
906                                LI->isUnordered() ? (Instruction*)ICI : LI);
907       InitBoolUsed = true;
908       switch (ICI->getPredicate()) {
909       default: llvm_unreachable("Unknown ICmp Predicate!");
910       case ICmpInst::ICMP_ULT:
911       case ICmpInst::ICMP_SLT:   // X < null -> always false
912         LV = ConstantInt::getFalse(GV->getContext());
913         break;
914       case ICmpInst::ICMP_ULE:
915       case ICmpInst::ICMP_SLE:
916       case ICmpInst::ICMP_EQ:
917         LV = BinaryOperator::CreateNot(LV, "notinit", ICI);
918         break;
919       case ICmpInst::ICMP_NE:
920       case ICmpInst::ICMP_UGE:
921       case ICmpInst::ICMP_SGE:
922       case ICmpInst::ICMP_UGT:
923       case ICmpInst::ICMP_SGT:
924         break;  // no change.
925       }
926       ICI->replaceAllUsesWith(LV);
927       ICI->eraseFromParent();
928     }
929     LI->eraseFromParent();
930   }
931
932   // If the initialization boolean was used, insert it, otherwise delete it.
933   if (!InitBoolUsed) {
934     while (!InitBool->use_empty())  // Delete initializations
935       cast<StoreInst>(InitBool->user_back())->eraseFromParent();
936     delete InitBool;
937   } else
938     GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV->getIterator(), InitBool);
939
940   // Now the GV is dead, nuke it and the malloc..
941   GV->eraseFromParent();
942   CI->eraseFromParent();
943
944   // To further other optimizations, loop over all users of NewGV and try to
945   // constant prop them.  This will promote GEP instructions with constant
946   // indices into GEP constant-exprs, which will allow global-opt to hack on it.
947   ConstantPropUsersOf(NewGV, DL, TLI);
948   if (RepValue != NewGV)
949     ConstantPropUsersOf(RepValue, DL, TLI);
950
951   return NewGV;
952 }
953
954 /// Scan the use-list of V checking to make sure that there are no complex uses
955 /// of V.  We permit simple things like dereferencing the pointer, but not
956 /// storing through the address, unless it is to the specified global.
957 static bool ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(const Instruction *V,
958                                                       const GlobalVariable *GV,
959                                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &PHIs) {
960   for (const User *U : V->users()) {
961     const Instruction *Inst = cast<Instruction>(U);
962
963     if (isa<LoadInst>(Inst) || isa<CmpInst>(Inst)) {
964       continue; // Fine, ignore.
965     }
966
967     if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
968       if (SI->getOperand(0) == V && SI->getOperand(1) != GV)
969         return false;  // Storing the pointer itself... bad.
970       continue; // Otherwise, storing through it, or storing into GV... fine.
971     }
972
973     // Must index into the array and into the struct.
974     if (isa<GetElementPtrInst>(Inst) && Inst->getNumOperands() >= 3) {
975       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(Inst, GV, PHIs))
976         return false;
977       continue;
978     }
979
980     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Inst)) {
981       // PHIs are ok if all uses are ok.  Don't infinitely recurse through PHI
982       // cycles.
983       if (PHIs.insert(PN).second)
984         if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(PN, GV, PHIs))
985           return false;
986       continue;
987     }
988
989     if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Inst)) {
990       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(BCI, GV, PHIs))
991         return false;
992       continue;
993     }
994
995     return false;
996   }
997   return true;
998 }
999
1000 /// The Alloc pointer is stored into GV somewhere.  Transform all uses of the
1001 /// allocation into loads from the global and uses of the resultant pointer.
1002 /// Further, delete the store into GV.  This assumes that these value pass the
1003 /// 'ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal' predicate.
1004 static void ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(Instruction *Alloc,
1005                                           GlobalVariable *GV) {
1006   while (!Alloc->use_empty()) {
1007     Instruction *U = cast<Instruction>(*Alloc->user_begin());
1008     Instruction *InsertPt = U;
1009     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1010       // If this is the store of the allocation into the global, remove it.
1011       if (SI->getOperand(1) == GV) {
1012         SI->eraseFromParent();
1013         continue;
1014       }
1015     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1016       // Insert the load in the corresponding predecessor, not right before the
1017       // PHI.
1018       InsertPt = PN->getIncomingBlock(*Alloc->use_begin())->getTerminator();
1019     } else if (isa<BitCastInst>(U)) {
1020       // Must be bitcast between the malloc and store to initialize the global.
1021       ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(U, GV);
1022       U->eraseFromParent();
1023       continue;
1024     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
1025       // If this is a "GEP bitcast" and the user is a store to the global, then
1026       // just process it as a bitcast.
1027       if (GEPI->hasAllZeroIndices() && GEPI->hasOneUse())
1028         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GEPI->user_back()))
1029           if (SI->getOperand(1) == GV) {
1030             // Must be bitcast GEP between the malloc and store to initialize
1031             // the global.
1032             ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(GEPI, GV);
1033             GEPI->eraseFromParent();
1034             continue;
1035           }
1036     }
1037
1038     // Insert a load from the global, and use it instead of the malloc.
1039     Value *NL = new LoadInst(GV, GV->getName()+".val", InsertPt);
1040     U->replaceUsesOfWith(Alloc, NL);
1041   }
1042 }
1043
1044 /// Verify that all uses of V (a load, or a phi of a load) are simple enough to
1045 /// perform heap SRA on.  This permits GEP's that index through the array and
1046 /// struct field, icmps of null, and PHIs.
1047 static bool LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const Value *V,
1048                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &LoadUsingPHIs,
1049                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &LoadUsingPHIsPerLoad) {
1050   // We permit two users of the load: setcc comparing against the null
1051   // pointer, and a getelementptr of a specific form.
1052   for (const User *U : V->users()) {
1053     const Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
1054
1055     // Comparison against null is ok.
1056     if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UI)) {
1057       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
1058         return false;
1059       continue;
1060     }
1061
1062     // getelementptr is also ok, but only a simple form.
1063     if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
1064       // Must index into the array and into the struct.
1065       if (GEPI->getNumOperands() < 3)
1066         return false;
1067
1068       // Otherwise the GEP is ok.
1069       continue;
1070     }
1071
1072     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
1073       if (!LoadUsingPHIsPerLoad.insert(PN).second)
1074         // This means some phi nodes are dependent on each other.
1075         // Avoid infinite looping!
1076         return false;
1077       if (!LoadUsingPHIs.insert(PN).second)
1078         // If we have already analyzed this PHI, then it is safe.
1079         continue;
1080
1081       // Make sure all uses of the PHI are simple enough to transform.
1082       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(PN,
1083                                           LoadUsingPHIs, LoadUsingPHIsPerLoad))
1084         return false;
1085
1086       continue;
1087     }
1088
1089     // Otherwise we don't know what this is, not ok.
1090     return false;
1091   }
1092
1093   return true;
1094 }
1095
1096
1097 /// If all users of values loaded from GV are simple enough to perform HeapSRA,
1098 /// return true.
1099 static bool AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const GlobalVariable *GV,
1100                                                     Instruction *StoredVal) {
1101   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIs;
1102   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIsPerLoad;
1103   for (const User *U : GV->users())
1104     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1105       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(LI, LoadUsingPHIs,
1106                                           LoadUsingPHIsPerLoad))
1107         return false;
1108       LoadUsingPHIsPerLoad.clear();
1109     }
1110
1111   // If we reach here, we know that all uses of the loads and transitive uses
1112   // (through PHI nodes) are simple enough to transform.  However, we don't know
1113   // that all inputs the to the PHI nodes are in the same equivalence sets.
1114   // Check to verify that all operands of the PHIs are either PHIS that can be
1115   // transformed, loads from GV, or MI itself.
1116   for (const PHINode *PN : LoadUsingPHIs) {
1117     for (unsigned op = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); op != e; ++op) {
1118       Value *InVal = PN->getIncomingValue(op);
1119
1120       // PHI of the stored value itself is ok.
1121       if (InVal == StoredVal) continue;
1122
1123       if (const PHINode *InPN = dyn_cast<PHINode>(InVal)) {
1124         // One of the PHIs in our set is (optimistically) ok.
1125         if (LoadUsingPHIs.count(InPN))
1126           continue;
1127         return false;
1128       }
1129
1130       // Load from GV is ok.
1131       if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(InVal))
1132         if (LI->getOperand(0) == GV)
1133           continue;
1134
1135       // UNDEF? NULL?
1136
1137       // Anything else is rejected.
1138       return false;
1139     }
1140   }
1141
1142   return true;
1143 }
1144
1145 static Value *GetHeapSROAValue(Value *V, unsigned FieldNo,
1146                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1147                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1148   std::vector<Value*> &FieldVals = InsertedScalarizedValues[V];
1149
1150   if (FieldNo >= FieldVals.size())
1151     FieldVals.resize(FieldNo+1);
1152
1153   // If we already have this value, just reuse the previously scalarized
1154   // version.
1155   if (Value *FieldVal = FieldVals[FieldNo])
1156     return FieldVal;
1157
1158   // Depending on what instruction this is, we have several cases.
1159   Value *Result;
1160   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(V)) {
1161     // This is a scalarized version of the load from the global.  Just create
1162     // a new Load of the scalarized global.
1163     Result = new LoadInst(GetHeapSROAValue(LI->getOperand(0), FieldNo,
1164                                            InsertedScalarizedValues,
1165                                            PHIsToRewrite),
1166                           LI->getName()+".f"+Twine(FieldNo), LI);
1167   } else {
1168     PHINode *PN = cast<PHINode>(V);
1169     // PN's type is pointer to struct.  Make a new PHI of pointer to struct
1170     // field.
1171
1172     PointerType *PTy = cast<PointerType>(PN->getType());
1173     StructType *ST = cast<StructType>(PTy->getElementType());
1174
1175     unsigned AS = PTy->getAddressSpace();
1176     PHINode *NewPN =
1177       PHINode::Create(PointerType::get(ST->getElementType(FieldNo), AS),
1178                      PN->getNumIncomingValues(),
1179                      PN->getName()+".f"+Twine(FieldNo), PN);
1180     Result = NewPN;
1181     PHIsToRewrite.push_back(std::make_pair(PN, FieldNo));
1182   }
1183
1184   return FieldVals[FieldNo] = Result;
1185 }
1186
1187 /// Given a load instruction and a value derived from the load, rewrite the
1188 /// derived value to use the HeapSRoA'd load.
1189 static void RewriteHeapSROALoadUser(Instruction *LoadUser,
1190              DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1191                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1192   // If this is a comparison against null, handle it.
1193   if (ICmpInst *SCI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUser)) {
1194     assert(isa<ConstantPointerNull>(SCI->getOperand(1)));
1195     // If we have a setcc of the loaded pointer, we can use a setcc of any
1196     // field.
1197     Value *NPtr = GetHeapSROAValue(SCI->getOperand(0), 0,
1198                                    InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1199
1200     Value *New = new ICmpInst(SCI, SCI->getPredicate(), NPtr,
1201                               Constant::getNullValue(NPtr->getType()),
1202                               SCI->getName());
1203     SCI->replaceAllUsesWith(New);
1204     SCI->eraseFromParent();
1205     return;
1206   }
1207
1208   // Handle 'getelementptr Ptr, Idx, i32 FieldNo ...'
1209   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LoadUser)) {
1210     assert(GEPI->getNumOperands() >= 3 && isa<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))
1211            && "Unexpected GEPI!");
1212
1213     // Load the pointer for this field.
1214     unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue();
1215     Value *NewPtr = GetHeapSROAValue(GEPI->getOperand(0), FieldNo,
1216                                      InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1217
1218     // Create the new GEP idx vector.
1219     SmallVector<Value*, 8> GEPIdx;
1220     GEPIdx.push_back(GEPI->getOperand(1));
1221     GEPIdx.append(GEPI->op_begin()+3, GEPI->op_end());
1222
1223     Value *NGEPI = GetElementPtrInst::Create(GEPI->getResultElementType(), NewPtr, GEPIdx,
1224                                              GEPI->getName(), GEPI);
1225     GEPI->replaceAllUsesWith(NGEPI);
1226     GEPI->eraseFromParent();
1227     return;
1228   }
1229
1230   // Recursively transform the users of PHI nodes.  This will lazily create the
1231   // PHIs that are needed for individual elements.  Keep track of what PHIs we
1232   // see in InsertedScalarizedValues so that we don't get infinite loops (very
1233   // antisocial).  If the PHI is already in InsertedScalarizedValues, it has
1234   // already been seen first by another load, so its uses have already been
1235   // processed.
1236   PHINode *PN = cast<PHINode>(LoadUser);
1237   if (!InsertedScalarizedValues.insert(std::make_pair(PN,
1238                                               std::vector<Value*>())).second)
1239     return;
1240
1241   // If this is the first time we've seen this PHI, recursively process all
1242   // users.
1243   for (auto UI = PN->user_begin(), E = PN->user_end(); UI != E;) {
1244     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1245     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1246   }
1247 }
1248
1249 /// We are performing Heap SRoA on a global.  Ptr is a value loaded from the
1250 /// global.  Eliminate all uses of Ptr, making them use FieldGlobals instead.
1251 /// All uses of loaded values satisfy AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA.
1252 static void RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LoadInst *Load,
1253                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1254                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1255   for (auto UI = Load->user_begin(), E = Load->user_end(); UI != E;) {
1256     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1257     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1258   }
1259
1260   if (Load->use_empty()) {
1261     Load->eraseFromParent();
1262     InsertedScalarizedValues.erase(Load);
1263   }
1264 }
1265
1266 /// CI is an allocation of an array of structures.  Break it up into multiple
1267 /// allocations of arrays of the fields.
1268 static GlobalVariable *PerformHeapAllocSRoA(GlobalVariable *GV, CallInst *CI,
1269                                             Value *NElems, const DataLayout &DL,
1270                                             const TargetLibraryInfo *TLI) {
1271   DEBUG(dbgs() << "SROA HEAP ALLOC: " << *GV << "  MALLOC = " << *CI << '\n');
1272   Type *MAT = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1273   StructType *STy = cast<StructType>(MAT);
1274
1275   // There is guaranteed to be at least one use of the malloc (storing
1276   // it into GV).  If there are other uses, change them to be uses of
1277   // the global to simplify later code.  This also deletes the store
1278   // into GV.
1279   ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(CI, GV);
1280
1281   // Okay, at this point, there are no users of the malloc.  Insert N
1282   // new mallocs at the same place as CI, and N globals.
1283   std::vector<Value*> FieldGlobals;
1284   std::vector<Value*> FieldMallocs;
1285
1286   unsigned AS = GV->getType()->getPointerAddressSpace();
1287   for (unsigned FieldNo = 0, e = STy->getNumElements(); FieldNo != e;++FieldNo){
1288     Type *FieldTy = STy->getElementType(FieldNo);
1289     PointerType *PFieldTy = PointerType::get(FieldTy, AS);
1290
1291     GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(
1292         *GV->getParent(), PFieldTy, false, GlobalValue::InternalLinkage,
1293         Constant::getNullValue(PFieldTy), GV->getName() + ".f" + Twine(FieldNo),
1294         nullptr, GV->getThreadLocalMode());
1295     FieldGlobals.push_back(NGV);
1296
1297     unsigned TypeSize = DL.getTypeAllocSize(FieldTy);
1298     if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(FieldTy))
1299       TypeSize = DL.getStructLayout(ST)->getSizeInBytes();
1300     Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(CI->getType());
1301     Value *NMI = CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, FieldTy,
1302                                         ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize),
1303                                         NElems, nullptr,
1304                                         CI->getName() + ".f" + Twine(FieldNo));
1305     FieldMallocs.push_back(NMI);
1306     new StoreInst(NMI, NGV, CI);
1307   }
1308
1309   // The tricky aspect of this transformation is handling the case when malloc
1310   // fails.  In the original code, malloc failing would set the result pointer
1311   // of malloc to null.  In this case, some mallocs could succeed and others
1312   // could fail.  As such, we emit code that looks like this:
1313   //    F0 = malloc(field0)
1314   //    F1 = malloc(field1)
1315   //    F2 = malloc(field2)
1316   //    if (F0 == 0 || F1 == 0 || F2 == 0) {
1317   //      if (F0) { free(F0); F0 = 0; }
1318   //      if (F1) { free(F1); F1 = 0; }
1319   //      if (F2) { free(F2); F2 = 0; }
1320   //    }
1321   // The malloc can also fail if its argument is too large.
1322   Constant *ConstantZero = ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 0);
1323   Value *RunningOr = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_SLT, CI->getArgOperand(0),
1324                                   ConstantZero, "isneg");
1325   for (unsigned i = 0, e = FieldMallocs.size(); i != e; ++i) {
1326     Value *Cond = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_EQ, FieldMallocs[i],
1327                              Constant::getNullValue(FieldMallocs[i]->getType()),
1328                                "isnull");
1329     RunningOr = BinaryOperator::CreateOr(RunningOr, Cond, "tmp", CI);
1330   }
1331
1332   // Split the basic block at the old malloc.
1333   BasicBlock *OrigBB = CI->getParent();
1334   BasicBlock *ContBB =
1335       OrigBB->splitBasicBlock(CI->getIterator(), "malloc_cont");
1336
1337   // Create the block to check the first condition.  Put all these blocks at the
1338   // end of the function as they are unlikely to be executed.
1339   BasicBlock *NullPtrBlock = BasicBlock::Create(OrigBB->getContext(),
1340                                                 "malloc_ret_null",
1341                                                 OrigBB->getParent());
1342
1343   // Remove the uncond branch from OrigBB to ContBB, turning it into a cond
1344   // branch on RunningOr.
1345   OrigBB->getTerminator()->eraseFromParent();
1346   BranchInst::Create(NullPtrBlock, ContBB, RunningOr, OrigBB);
1347
1348   // Within the NullPtrBlock, we need to emit a comparison and branch for each
1349   // pointer, because some may be null while others are not.
1350   for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1351     Value *GVVal = new LoadInst(FieldGlobals[i], "tmp", NullPtrBlock);
1352     Value *Cmp = new ICmpInst(*NullPtrBlock, ICmpInst::ICMP_NE, GVVal,
1353                               Constant::getNullValue(GVVal->getType()));
1354     BasicBlock *FreeBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "free_it",
1355                                                OrigBB->getParent());
1356     BasicBlock *NextBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "next",
1357                                                OrigBB->getParent());
1358     Instruction *BI = BranchInst::Create(FreeBlock, NextBlock,
1359                                          Cmp, NullPtrBlock);
1360
1361     // Fill in FreeBlock.
1362     CallInst::CreateFree(GVVal, BI);
1363     new StoreInst(Constant::getNullValue(GVVal->getType()), FieldGlobals[i],
1364                   FreeBlock);
1365     BranchInst::Create(NextBlock, FreeBlock);
1366
1367     NullPtrBlock = NextBlock;
1368   }
1369
1370   BranchInst::Create(ContBB, NullPtrBlock);
1371
1372   // CI is no longer needed, remove it.
1373   CI->eraseFromParent();
1374
1375   /// As we process loads, if we can't immediately update all uses of the load,
1376   /// keep track of what scalarized loads are inserted for a given load.
1377   DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > InsertedScalarizedValues;
1378   InsertedScalarizedValues[GV] = FieldGlobals;
1379
1380   std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > PHIsToRewrite;
1381
1382   // Okay, the malloc site is completely handled.  All of the uses of GV are now
1383   // loads, and all uses of those loads are simple.  Rewrite them to use loads
1384   // of the per-field globals instead.
1385   for (auto UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); UI != E;) {
1386     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1387
1388     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1389       RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LI, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1390       continue;
1391     }
1392
1393     // Must be a store of null.
1394     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(User);
1395     assert(isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)) &&
1396            "Unexpected heap-sra user!");
1397
1398     // Insert a store of null into each global.
1399     for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1400       PointerType *PT = cast<PointerType>(FieldGlobals[i]->getType());
1401       Constant *Null = Constant::getNullValue(PT->getElementType());
1402       new StoreInst(Null, FieldGlobals[i], SI);
1403     }
1404     // Erase the original store.
1405     SI->eraseFromParent();
1406   }
1407
1408   // While we have PHIs that are interesting to rewrite, do it.
1409   while (!PHIsToRewrite.empty()) {
1410     PHINode *PN = PHIsToRewrite.back().first;
1411     unsigned FieldNo = PHIsToRewrite.back().second;
1412     PHIsToRewrite.pop_back();
1413     PHINode *FieldPN = cast<PHINode>(InsertedScalarizedValues[PN][FieldNo]);
1414     assert(FieldPN->getNumIncomingValues() == 0 &&"Already processed this phi");
1415
1416     // Add all the incoming values.  This can materialize more phis.
1417     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1418       Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1419       InVal = GetHeapSROAValue(InVal, FieldNo, InsertedScalarizedValues,
1420                                PHIsToRewrite);
1421       FieldPN->addIncoming(InVal, PN->getIncomingBlock(i));
1422     }
1423   }
1424
1425   // Drop all inter-phi links and any loads that made it this far.
1426   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1427        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1428        I != E; ++I) {
1429     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1430       PN->dropAllReferences();
1431     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1432       LI->dropAllReferences();
1433   }
1434
1435   // Delete all the phis and loads now that inter-references are dead.
1436   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1437        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1438        I != E; ++I) {
1439     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1440       PN->eraseFromParent();
1441     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1442       LI->eraseFromParent();
1443   }
1444
1445   // The old global is now dead, remove it.
1446   GV->eraseFromParent();
1447
1448   ++NumHeapSRA;
1449   return cast<GlobalVariable>(FieldGlobals[0]);
1450 }
1451
1452 /// This function is called when we see a pointer global variable with a single
1453 /// value stored it that is a malloc or cast of malloc.
1454 static bool tryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GlobalVariable *GV, CallInst *CI,
1455                                                Type *AllocTy,
1456                                                AtomicOrdering Ordering,
1457                                                const DataLayout &DL,
1458                                                TargetLibraryInfo *TLI) {
1459   // If this is a malloc of an abstract type, don't touch it.
1460   if (!AllocTy->isSized())
1461     return false;
1462
1463   // We can't optimize this global unless all uses of it are *known* to be
1464   // of the malloc value, not of the null initializer value (consider a use
1465   // that compares the global's value against zero to see if the malloc has
1466   // been reached).  To do this, we check to see if all uses of the global
1467   // would trap if the global were null: this proves that they must all
1468   // happen after the malloc.
1469   if (!AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(GV))
1470     return false;
1471
1472   // We can't optimize this if the malloc itself is used in a complex way,
1473   // for example, being stored into multiple globals.  This allows the
1474   // malloc to be stored into the specified global, loaded icmp'd, and
1475   // GEP'd.  These are all things we could transform to using the global
1476   // for.
1477   SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
1478   if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(CI, GV, PHIs))
1479     return false;
1480
1481   // If we have a global that is only initialized with a fixed size malloc,
1482   // transform the program to use global memory instead of malloc'd memory.
1483   // This eliminates dynamic allocation, avoids an indirection accessing the
1484   // data, and exposes the resultant global to further GlobalOpt.
1485   // We cannot optimize the malloc if we cannot determine malloc array size.
1486   Value *NElems = getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true);
1487   if (!NElems)
1488     return false;
1489
1490   if (ConstantInt *NElements = dyn_cast<ConstantInt>(NElems))
1491     // Restrict this transformation to only working on small allocations
1492     // (2048 bytes currently), as we don't want to introduce a 16M global or
1493     // something.
1494     if (NElements->getZExtValue() * DL.getTypeAllocSize(AllocTy) < 2048) {
1495       OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GV, CI, AllocTy, NElements, DL, TLI);
1496       return true;
1497     }
1498
1499   // If the allocation is an array of structures, consider transforming this
1500   // into multiple malloc'd arrays, one for each field.  This is basically
1501   // SRoA for malloc'd memory.
1502
1503   if (Ordering != NotAtomic)
1504     return false;
1505
1506   // If this is an allocation of a fixed size array of structs, analyze as a
1507   // variable size array.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1508   if (NElems == ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 1))
1509     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(AllocTy))
1510       AllocTy = AT->getElementType();
1511
1512   StructType *AllocSTy = dyn_cast<StructType>(AllocTy);
1513   if (!AllocSTy)
1514     return false;
1515
1516   // This the structure has an unreasonable number of fields, leave it
1517   // alone.
1518   if (AllocSTy->getNumElements() <= 16 && AllocSTy->getNumElements() != 0 &&
1519       AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(GV, CI)) {
1520
1521     // If this is a fixed size array, transform the Malloc to be an alloc of
1522     // structs.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1523     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(getMallocAllocatedType(CI, TLI))) {
1524       Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(CI->getType());
1525       unsigned TypeSize = DL.getStructLayout(AllocSTy)->getSizeInBytes();
1526       Value *AllocSize = ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize);
1527       Value *NumElements = ConstantInt::get(IntPtrTy, AT->getNumElements());
1528       Instruction *Malloc = CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, AllocSTy,
1529                                                    AllocSize, NumElements,
1530                                                    nullptr, CI->getName());
1531       Instruction *Cast = new BitCastInst(Malloc, CI->getType(), "tmp", CI);
1532       CI->replaceAllUsesWith(Cast);
1533       CI->eraseFromParent();
1534       if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Malloc))
1535         CI = cast<CallInst>(BCI->getOperand(0));
1536       else
1537         CI = cast<CallInst>(Malloc);
1538     }
1539
1540     PerformHeapAllocSRoA(GV, CI, getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true), DL,
1541                          TLI);
1542     return true;
1543   }
1544
1545   return false;
1546 }
1547
1548 // Try to optimize globals based on the knowledge that only one value (besides
1549 // its initializer) is ever stored to the global.
1550 static bool optimizeOnceStoredGlobal(GlobalVariable *GV, Value *StoredOnceVal,
1551                                      AtomicOrdering Ordering,
1552                                      const DataLayout &DL,
1553                                      TargetLibraryInfo *TLI) {
1554   // Ignore no-op GEPs and bitcasts.
1555   StoredOnceVal = StoredOnceVal->stripPointerCasts();
1556
1557   // If we are dealing with a pointer global that is initialized to null and
1558   // only has one (non-null) value stored into it, then we can optimize any
1559   // users of the loaded value (often calls and loads) that would trap if the
1560   // value was null.
1561   if (GV->getInitializer()->getType()->isPointerTy() &&
1562       GV->getInitializer()->isNullValue()) {
1563     if (Constant *SOVC = dyn_cast<Constant>(StoredOnceVal)) {
1564       if (GV->getInitializer()->getType() != SOVC->getType())
1565         SOVC = ConstantExpr::getBitCast(SOVC, GV->getInitializer()->getType());
1566
1567       // Optimize away any trapping uses of the loaded value.
1568       if (OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GV, SOVC, DL, TLI))
1569         return true;
1570     } else if (CallInst *CI = extractMallocCall(StoredOnceVal, TLI)) {
1571       Type *MallocType = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1572       if (MallocType && tryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GV, CI, MallocType,
1573                                                            Ordering, DL, TLI))
1574         return true;
1575     }
1576   }
1577
1578   return false;
1579 }
1580
1581 /// At this point, we have learned that the only two values ever stored into GV
1582 /// are its initializer and OtherVal.  See if we can shrink the global into a
1583 /// boolean and select between the two values whenever it is used.  This exposes
1584 /// the values to other scalar optimizations.
1585 static bool TryToShrinkGlobalToBoolean(GlobalVariable *GV, Constant *OtherVal) {
1586   Type *GVElType = GV->getType()->getElementType();
1587
1588   // If GVElType is already i1, it is already shrunk.  If the type of the GV is
1589   // an FP value, pointer or vector, don't do this optimization because a select
1590   // between them is very expensive and unlikely to lead to later
1591   // simplification.  In these cases, we typically end up with "cond ? v1 : v2"
1592   // where v1 and v2 both require constant pool loads, a big loss.
1593   if (GVElType == Type::getInt1Ty(GV->getContext()) ||
1594       GVElType->isFloatingPointTy() ||
1595       GVElType->isPointerTy() || GVElType->isVectorTy())
1596     return false;
1597
1598   // Walk the use list of the global seeing if all the uses are load or store.
1599   // If there is anything else, bail out.
1600   for (User *U : GV->users())
1601     if (!isa<LoadInst>(U) && !isa<StoreInst>(U))
1602       return false;
1603
1604   DEBUG(dbgs() << "   *** SHRINKING TO BOOL: " << *GV << "\n");
1605
1606   // Create the new global, initializing it to false.
1607   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1608                                              false,
1609                                              GlobalValue::InternalLinkage,
1610                                         ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
1611                                              GV->getName()+".b",
1612                                              GV->getThreadLocalMode(),
1613                                              GV->getType()->getAddressSpace());
1614   GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV->getIterator(), NewGV);
1615
1616   Constant *InitVal = GV->getInitializer();
1617   assert(InitVal->getType() != Type::getInt1Ty(GV->getContext()) &&
1618          "No reason to shrink to bool!");
1619
1620   // If initialized to zero and storing one into the global, we can use a cast
1621   // instead of a select to synthesize the desired value.
1622   bool IsOneZero = false;
1623   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(OtherVal))
1624     IsOneZero = InitVal->isNullValue() && CI->isOne();
1625
1626   while (!GV->use_empty()) {
1627     Instruction *UI = cast<Instruction>(GV->user_back());
1628     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
1629       // Change the store into a boolean store.
1630       bool StoringOther = SI->getOperand(0) == OtherVal;
1631       // Only do this if we weren't storing a loaded value.
1632       Value *StoreVal;
1633       if (StoringOther || SI->getOperand(0) == InitVal) {
1634         StoreVal = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1635                                     StoringOther);
1636       } else {
1637         // Otherwise, we are storing a previously loaded copy.  To do this,
1638         // change the copy from copying the original value to just copying the
1639         // bool.
1640         Instruction *StoredVal = cast<Instruction>(SI->getOperand(0));
1641
1642         // If we've already replaced the input, StoredVal will be a cast or
1643         // select instruction.  If not, it will be a load of the original
1644         // global.
1645         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
1646           assert(LI->getOperand(0) == GV && "Not a copy!");
1647           // Insert a new load, to preserve the saved value.
1648           StoreVal = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1649                                   LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1650         } else {
1651           assert((isa<CastInst>(StoredVal) || isa<SelectInst>(StoredVal)) &&
1652                  "This is not a form that we understand!");
1653           StoreVal = StoredVal->getOperand(0);
1654           assert(isa<LoadInst>(StoreVal) && "Not a load of NewGV!");
1655         }
1656       }
1657       new StoreInst(StoreVal, NewGV, false, 0,
1658                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
1659     } else {
1660       // Change the load into a load of bool then a select.
1661       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UI);
1662       LoadInst *NLI = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1663                                    LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1664       Value *NSI;
1665       if (IsOneZero)
1666         NSI = new ZExtInst(NLI, LI->getType(), "", LI);
1667       else
1668         NSI = SelectInst::Create(NLI, OtherVal, InitVal, "", LI);
1669       NSI->takeName(LI);
1670       LI->replaceAllUsesWith(NSI);
1671     }
1672     UI->eraseFromParent();
1673   }
1674
1675   // Retain the name of the old global variable. People who are debugging their
1676   // programs may expect these variables to be named the same.
1677   NewGV->takeName(GV);
1678   GV->eraseFromParent();
1679   return true;
1680 }
1681
1682
1683 /// Analyze the specified global variable and optimize it if possible.  If we
1684 /// make a change, return true.
1685 bool GlobalOpt::processGlobal(GlobalVariable *GV) {
1686   // Do more involved optimizations if the global is internal.
1687   GV->removeDeadConstantUsers();
1688
1689   if (GV->use_empty()) {
1690     DEBUG(dbgs() << "GLOBAL DEAD: " << *GV << "\n");
1691     GV->eraseFromParent();
1692     ++NumDeleted;
1693     return true;
1694   }
1695
1696   if (!GV->hasLocalLinkage())
1697     return false;
1698
1699   GlobalStatus GS;
1700
1701   if (GlobalStatus::analyzeGlobal(GV, GS))
1702     return false;
1703
1704   if (!GS.IsCompared && !GV->hasUnnamedAddr()) {
1705     GV->setUnnamedAddr(true);
1706     NumUnnamed++;
1707   }
1708
1709   if (GV->isConstant() || !GV->hasInitializer())
1710     return false;
1711
1712   return processInternalGlobal(GV, GS);
1713 }
1714
1715 bool GlobalOpt::isPointerValueDeadOnEntryToFunction(const Function *F, GlobalValue *GV) {
1716   // Find all uses of GV. We expect them all to be in F, and if we can't
1717   // identify any of the uses we bail out.
1718   //
1719   // On each of these uses, identify if the memory that GV points to is
1720   // used/required/live at the start of the function. If it is not, for example
1721   // if the first thing the function does is store to the GV, the GV can
1722   // possibly be demoted.
1723   //
1724   // We don't do an exhaustive search for memory operations - simply look
1725   // through bitcasts as they're quite common and benign.
1726   const DataLayout &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1727   SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
1728   SmallVector<StoreInst *, 4> Stores;
1729   for (auto *U : GV->users()) {
1730     if (Operator::getOpcode(U) == Instruction::BitCast) {
1731       for (auto *UU : U->users()) {
1732         if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(UU))
1733           Loads.push_back(LI);
1734         else if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(UU))
1735           Stores.push_back(SI);
1736         else
1737           return false;
1738       }
1739       continue;
1740     }
1741
1742     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U);
1743     if (!I)
1744       return false;
1745     assert(I->getParent()->getParent() == F);
1746
1747     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1748       Loads.push_back(LI);
1749     else if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
1750       Stores.push_back(SI);
1751     else
1752       return false;
1753   }
1754
1755   // We have identified all uses of GV into loads and stores. Now check if all
1756   // of them are known not to depend on the value of the global at the function
1757   // entry point. We do this by ensuring that every load is dominated by at
1758   // least one store.
1759   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>(*const_cast<Function *>(F))
1760                  .getDomTree();
1761
1762   // The below check is quadratic. Check we're not going to do too many tests.
1763   // FIXME: Even though this will always have worst-case quadratic time, we
1764   // could put effort into minimizing the average time by putting stores that
1765   // have been shown to dominate at least one load at the beginning of the
1766   // Stores array, making subsequent dominance checks more likely to succeed
1767   // early.
1768   //
1769   // The threshold here is fairly large because global->local demotion is a
1770   // very powerful optimization should it fire.
1771   const unsigned Threshold = 100;
1772   if (Loads.size() * Stores.size() > Threshold)
1773     return false;
1774
1775   for (auto *L : Loads) {
1776     auto *LTy = L->getType();
1777     if (!std::any_of(Stores.begin(), Stores.end(), [&](StoreInst *S) {
1778           auto *STy = S->getValueOperand()->getType();
1779           // The load is only dominated by the store if DomTree says so
1780           // and the number of bits loaded in L is less than or equal to
1781           // the number of bits stored in S.
1782           return DT.dominates(S, L) &&
1783                  DL.getTypeStoreSize(LTy) <= DL.getTypeStoreSize(STy);
1784         }))
1785       return false;
1786   }
1787   // All loads have known dependences inside F, so the global can be localized.
1788   return true;
1789 }
1790
1791 /// C may have non-instruction users. Can all of those users be turned into
1792 /// instructions?
1793 static bool allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions(Constant *C) {
1794   // We don't do this exhaustively. The most common pattern that we really need
1795   // to care about is a constant GEP or constant bitcast - so just looking
1796   // through one single ConstantExpr.
1797   //
1798   // The set of constants that this function returns true for must be able to be
1799   // handled by makeAllConstantUsesInstructions.
1800   for (auto *U : C->users()) {
1801     if (isa<Instruction>(U))
1802       continue;
1803     if (!isa<ConstantExpr>(U))
1804       // Non instruction, non-constantexpr user; cannot convert this.
1805       return false;
1806     for (auto *UU : U->users())
1807       if (!isa<Instruction>(UU))
1808         // A constantexpr used by another constant. We don't try and recurse any
1809         // further but just bail out at this point.
1810         return false;
1811   }
1812
1813   return true;
1814 }
1815
1816 /// C may have non-instruction users, and
1817 /// allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions has returned true. Convert the
1818 /// non-instruction users to instructions.
1819 static void makeAllConstantUsesInstructions(Constant *C) {
1820   SmallVector<ConstantExpr*,4> Users;
1821   for (auto *U : C->users()) {
1822     if (isa<ConstantExpr>(U))
1823       Users.push_back(cast<ConstantExpr>(U));
1824     else
1825       // We should never get here; allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions
1826       // should not have returned true for C.
1827       assert(
1828           isa<Instruction>(U) &&
1829           "Can't transform non-constantexpr non-instruction to instruction!");
1830   }
1831
1832   SmallVector<Value*,4> UUsers;
1833   for (auto *U : Users) {
1834     UUsers.clear();
1835     for (auto *UU : U->users())
1836       UUsers.push_back(UU);
1837     for (auto *UU : UUsers) {
1838       Instruction *UI = cast<Instruction>(UU);
1839       Instruction *NewU = U->getAsInstruction();
1840       NewU->insertBefore(UI);
1841       UI->replaceUsesOfWith(U, NewU);
1842     }
1843     U->dropAllReferences();
1844   }
1845 }
1846
1847 /// Analyze the specified global variable and optimize
1848 /// it if possible.  If we make a change, return true.
1849 bool GlobalOpt::processInternalGlobal(GlobalVariable *GV,
1850                                       const GlobalStatus &GS) {
1851   auto &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1852   // If this is a first class global and has only one accessing function and
1853   // this function is non-recursive, we replace the global with a local alloca
1854   // in this function.
1855   //
1856   // NOTE: It doesn't make sense to promote non-single-value types since we
1857   // are just replacing static memory to stack memory.
1858   //
1859   // If the global is in different address space, don't bring it to stack.
1860   if (!GS.HasMultipleAccessingFunctions &&
1861       GS.AccessingFunction &&
1862       GV->getType()->getElementType()->isSingleValueType() &&
1863       GV->getType()->getAddressSpace() == 0 &&
1864       !GV->isExternallyInitialized() &&
1865       allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions(GV) &&
1866       GS.AccessingFunction->doesNotRecurse() &&
1867       isPointerValueDeadOnEntryToFunction(GS.AccessingFunction, GV) ) {
1868     DEBUG(dbgs() << "LOCALIZING GLOBAL: " << *GV << "\n");
1869     Instruction &FirstI = const_cast<Instruction&>(*GS.AccessingFunction
1870                                                    ->getEntryBlock().begin());
1871     Type *ElemTy = GV->getType()->getElementType();
1872     // FIXME: Pass Global's alignment when globals have alignment
1873     AllocaInst *Alloca = new AllocaInst(ElemTy, nullptr,
1874                                         GV->getName(), &FirstI);
1875     if (!isa<UndefValue>(GV->getInitializer()))
1876       new StoreInst(GV->getInitializer(), Alloca, &FirstI);
1877
1878     makeAllConstantUsesInstructions(GV);
1879     
1880     GV->replaceAllUsesWith(Alloca);
1881     GV->eraseFromParent();
1882     ++NumLocalized;
1883     return true;
1884   }
1885
1886   // If the global is never loaded (but may be stored to), it is dead.
1887   // Delete it now.
1888   if (!GS.IsLoaded) {
1889     DEBUG(dbgs() << "GLOBAL NEVER LOADED: " << *GV << "\n");
1890
1891     bool Changed;
1892     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
1893       // Delete any constant stores to the global.
1894       Changed = CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
1895     } else {
1896       // Delete any stores we can find to the global.  We may not be able to
1897       // make it completely dead though.
1898       Changed = CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1899     }
1900
1901     // If the global is dead now, delete it.
1902     if (GV->use_empty()) {
1903       GV->eraseFromParent();
1904       ++NumDeleted;
1905       Changed = true;
1906     }
1907     return Changed;
1908
1909   } else if (GS.StoredType <= GlobalStatus::InitializerStored) {
1910     DEBUG(dbgs() << "MARKING CONSTANT: " << *GV << "\n");
1911     GV->setConstant(true);
1912
1913     // Clean up any obviously simplifiable users now.
1914     CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1915
1916     // If the global is dead now, just nuke it.
1917     if (GV->use_empty()) {
1918       DEBUG(dbgs() << "   *** Marking constant allowed us to simplify "
1919             << "all users and delete global!\n");
1920       GV->eraseFromParent();
1921       ++NumDeleted;
1922     }
1923
1924     ++NumMarked;
1925     return true;
1926   } else if (!GV->getInitializer()->getType()->isSingleValueType()) {
1927     const DataLayout &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1928     if (SRAGlobal(GV, DL))
1929       return true;
1930   } else if (GS.StoredType == GlobalStatus::StoredOnce && GS.StoredOnceValue) {
1931     // If the initial value for the global was an undef value, and if only
1932     // one other value was stored into it, we can just change the
1933     // initializer to be the stored value, then delete all stores to the
1934     // global.  This allows us to mark it constant.
1935     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue))
1936       if (isa<UndefValue>(GV->getInitializer())) {
1937         // Change the initial value here.
1938         GV->setInitializer(SOVConstant);
1939
1940         // Clean up any obviously simplifiable users now.
1941         CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1942
1943         if (GV->use_empty()) {
1944           DEBUG(dbgs() << "   *** Substituting initializer allowed us to "
1945                        << "simplify all users and delete global!\n");
1946           GV->eraseFromParent();
1947           ++NumDeleted;
1948         }
1949         ++NumSubstitute;
1950         return true;
1951       }
1952
1953     // Try to optimize globals based on the knowledge that only one value
1954     // (besides its initializer) is ever stored to the global.
1955     if (optimizeOnceStoredGlobal(GV, GS.StoredOnceValue, GS.Ordering, DL, TLI))
1956       return true;
1957
1958     // Otherwise, if the global was not a boolean, we can shrink it to be a
1959     // boolean.
1960     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue)) {
1961       if (GS.Ordering == NotAtomic) {
1962         if (TryToShrinkGlobalToBoolean(GV, SOVConstant)) {
1963           ++NumShrunkToBool;
1964           return true;
1965         }
1966       }
1967     }
1968   }
1969
1970   return false;
1971 }
1972
1973 /// Walk all of the direct calls of the specified function, changing them to
1974 /// FastCC.
1975 static void ChangeCalleesToFastCall(Function *F) {
1976   for (User *U : F->users()) {
1977     if (isa<BlockAddress>(U))
1978       continue;
1979     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
1980     CS.setCallingConv(CallingConv::Fast);
1981   }
1982 }
1983
1984 static AttributeSet StripNest(LLVMContext &C, const AttributeSet &Attrs) {
1985   for (unsigned i = 0, e = Attrs.getNumSlots(); i != e; ++i) {
1986     unsigned Index = Attrs.getSlotIndex(i);
1987     if (!Attrs.getSlotAttributes(i).hasAttribute(Index, Attribute::Nest))
1988       continue;
1989
1990     // There can be only one.
1991     return Attrs.removeAttribute(C, Index, Attribute::Nest);
1992   }
1993
1994   return Attrs;
1995 }
1996
1997 static void RemoveNestAttribute(Function *F) {
1998   F->setAttributes(StripNest(F->getContext(), F->getAttributes()));
1999   for (User *U : F->users()) {
2000     if (isa<BlockAddress>(U))
2001       continue;
2002     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
2003     CS.setAttributes(StripNest(F->getContext(), CS.getAttributes()));
2004   }
2005 }
2006
2007 /// Return true if this is a calling convention that we'd like to change.  The
2008 /// idea here is that we don't want to mess with the convention if the user
2009 /// explicitly requested something with performance implications like coldcc,
2010 /// GHC, or anyregcc.
2011 static bool isProfitableToMakeFastCC(Function *F) {
2012   CallingConv::ID CC = F->getCallingConv();
2013   // FIXME: Is it worth transforming x86_stdcallcc and x86_fastcallcc?
2014   return CC == CallingConv::C || CC == CallingConv::X86_ThisCall;
2015 }
2016
2017 bool GlobalOpt::OptimizeFunctions(Module &M) {
2018   bool Changed = false;
2019   // Optimize functions.
2020   for (Module::iterator FI = M.begin(), E = M.end(); FI != E; ) {
2021     Function *F = &*FI++;
2022     // Functions without names cannot be referenced outside this module.
2023     if (!F->hasName() && !F->isDeclaration() && !F->hasLocalLinkage())
2024       F->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2025
2026     const Comdat *C = F->getComdat();
2027     bool inComdat = C && NotDiscardableComdats.count(C);
2028     F->removeDeadConstantUsers();
2029     if ((!inComdat || F->hasLocalLinkage()) && F->isDefTriviallyDead()) {
2030       F->eraseFromParent();
2031       Changed = true;
2032       ++NumFnDeleted;
2033       continue;
2034     }
2035     if (!F->hasLocalLinkage())
2036       continue;
2037     if (isProfitableToMakeFastCC(F) && !F->isVarArg() &&
2038         !F->hasAddressTaken()) {
2039       // If this function has a calling convention worth changing, is not a
2040       // varargs function, and is only called directly, promote it to use the
2041       // Fast calling convention.
2042       F->setCallingConv(CallingConv::Fast);
2043       ChangeCalleesToFastCall(F);
2044       ++NumFastCallFns;
2045       Changed = true;
2046     }
2047
2048     if (F->getAttributes().hasAttrSomewhere(Attribute::Nest) &&
2049         !F->hasAddressTaken()) {
2050       // The function is not used by a trampoline intrinsic, so it is safe
2051       // to remove the 'nest' attribute.
2052       RemoveNestAttribute(F);
2053       ++NumNestRemoved;
2054       Changed = true;
2055     }
2056   }
2057   return Changed;
2058 }
2059
2060 bool GlobalOpt::OptimizeGlobalVars(Module &M) {
2061   bool Changed = false;
2062
2063   for (Module::global_iterator GVI = M.global_begin(), E = M.global_end();
2064        GVI != E; ) {
2065     GlobalVariable *GV = &*GVI++;
2066     // Global variables without names cannot be referenced outside this module.
2067     if (!GV->hasName() && !GV->isDeclaration() && !GV->hasLocalLinkage())
2068       GV->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2069     // Simplify the initializer.
2070     if (GV->hasInitializer())
2071       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GV->getInitializer())) {
2072         auto &DL = M.getDataLayout();
2073         Constant *New = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2074         if (New && New != CE)
2075           GV->setInitializer(New);
2076       }
2077
2078     if (GV->isDiscardableIfUnused()) {
2079       if (const Comdat *C = GV->getComdat())
2080         if (NotDiscardableComdats.count(C) && !GV->hasLocalLinkage())
2081           continue;
2082       Changed |= processGlobal(GV);
2083     }
2084   }
2085   return Changed;
2086 }
2087
2088 static inline bool
2089 isSimpleEnoughValueToCommit(Constant *C,
2090                             SmallPtrSetImpl<Constant *> &SimpleConstants,
2091                             const DataLayout &DL);
2092
2093 /// Return true if the specified constant can be handled by the code generator.
2094 /// We don't want to generate something like:
2095 ///   void *X = &X/42;
2096 /// because the code generator doesn't have a relocation that can handle that.
2097 ///
2098 /// This function should be called if C was not found (but just got inserted)
2099 /// in SimpleConstants to avoid having to rescan the same constants all the
2100 /// time.
2101 static bool
2102 isSimpleEnoughValueToCommitHelper(Constant *C,
2103                                   SmallPtrSetImpl<Constant *> &SimpleConstants,
2104                                   const DataLayout &DL) {
2105   // Simple global addresses are supported, do not allow dllimport or
2106   // thread-local globals.
2107   if (auto *GV = dyn_cast<GlobalValue>(C))
2108     return !GV->hasDLLImportStorageClass() && !GV->isThreadLocal();
2109
2110   // Simple integer, undef, constant aggregate zero, etc are all supported.
2111   if (C->getNumOperands() == 0 || isa<BlockAddress>(C))
2112     return true;
2113
2114   // Aggregate values are safe if all their elements are.
2115   if (isa<ConstantArray>(C) || isa<ConstantStruct>(C) ||
2116       isa<ConstantVector>(C)) {
2117     for (Value *Op : C->operands())
2118       if (!isSimpleEnoughValueToCommit(cast<Constant>(Op), SimpleConstants, DL))
2119         return false;
2120     return true;
2121   }
2122
2123   // We don't know exactly what relocations are allowed in constant expressions,
2124   // so we allow &global+constantoffset, which is safe and uniformly supported
2125   // across targets.
2126   ConstantExpr *CE = cast<ConstantExpr>(C);
2127   switch (CE->getOpcode()) {
2128   case Instruction::BitCast:
2129     // Bitcast is fine if the casted value is fine.
2130     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2131
2132   case Instruction::IntToPtr:
2133   case Instruction::PtrToInt:
2134     // int <=> ptr is fine if the int type is the same size as the
2135     // pointer type.
2136     if (DL.getTypeSizeInBits(CE->getType()) !=
2137         DL.getTypeSizeInBits(CE->getOperand(0)->getType()))
2138       return false;
2139     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2140
2141   // GEP is fine if it is simple + constant offset.
2142   case Instruction::GetElementPtr:
2143     for (unsigned i = 1, e = CE->getNumOperands(); i != e; ++i)
2144       if (!isa<ConstantInt>(CE->getOperand(i)))
2145         return false;
2146     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2147
2148   case Instruction::Add:
2149     // We allow simple+cst.
2150     if (!isa<ConstantInt>(CE->getOperand(1)))
2151       return false;
2152     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2153   }
2154   return false;
2155 }
2156
2157 static inline bool
2158 isSimpleEnoughValueToCommit(Constant *C,
2159                             SmallPtrSetImpl<Constant *> &SimpleConstants,
2160                             const DataLayout &DL) {
2161   // If we already checked this constant, we win.
2162   if (!SimpleConstants.insert(C).second)
2163     return true;
2164   // Check the constant.
2165   return isSimpleEnoughValueToCommitHelper(C, SimpleConstants, DL);
2166 }
2167
2168
2169 /// Return true if this constant is simple enough for us to understand.  In
2170 /// particular, if it is a cast to anything other than from one pointer type to
2171 /// another pointer type, we punt.  We basically just support direct accesses to
2172 /// globals and GEP's of globals.  This should be kept up to date with
2173 /// CommitValueTo.
2174 static bool isSimpleEnoughPointerToCommit(Constant *C) {
2175   // Conservatively, avoid aggregate types. This is because we don't
2176   // want to worry about them partially overlapping other stores.
2177   if (!cast<PointerType>(C->getType())->getElementType()->isSingleValueType())
2178     return false;
2179
2180   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(C))
2181     // Do not allow weak/*_odr/linkonce linkage or external globals.
2182     return GV->hasUniqueInitializer();
2183
2184   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(C)) {
2185     // Handle a constantexpr gep.
2186     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
2187         isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0)) &&
2188         cast<GEPOperator>(CE)->isInBounds()) {
2189       GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2190       // Do not allow weak/*_odr/linkonce/dllimport/dllexport linkage or
2191       // external globals.
2192       if (!GV->hasUniqueInitializer())
2193         return false;
2194
2195       // The first index must be zero.
2196       ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*std::next(CE->op_begin()));
2197       if (!CI || !CI->isZero()) return false;
2198
2199       // The remaining indices must be compile-time known integers within the
2200       // notional bounds of the corresponding static array types.
2201       if (!CE->isGEPWithNoNotionalOverIndexing())
2202         return false;
2203
2204       return ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(GV->getInitializer(), CE);
2205
2206     // A constantexpr bitcast from a pointer to another pointer is a no-op,
2207     // and we know how to evaluate it by moving the bitcast from the pointer
2208     // operand to the value operand.
2209     } else if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast &&
2210                isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))) {
2211       // Do not allow weak/*_odr/linkonce/dllimport/dllexport linkage or
2212       // external globals.
2213       return cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))->hasUniqueInitializer();
2214     }
2215   }
2216
2217   return false;
2218 }
2219
2220 /// Evaluate a piece of a constantexpr store into a global initializer.  This
2221 /// returns 'Init' modified to reflect 'Val' stored into it.  At this point, the
2222 /// GEP operands of Addr [0, OpNo) have been stepped into.
2223 static Constant *EvaluateStoreInto(Constant *Init, Constant *Val,
2224                                    ConstantExpr *Addr, unsigned OpNo) {
2225   // Base case of the recursion.
2226   if (OpNo == Addr->getNumOperands()) {
2227     assert(Val->getType() == Init->getType() && "Type mismatch!");
2228     return Val;
2229   }
2230
2231   SmallVector<Constant*, 32> Elts;
2232   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2233     // Break up the constant into its elements.
2234     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i)
2235       Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2236
2237     // Replace the element that we are supposed to.
2238     ConstantInt *CU = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2239     unsigned Idx = CU->getZExtValue();
2240     assert(Idx < STy->getNumElements() && "Struct index out of range!");
2241     Elts[Idx] = EvaluateStoreInto(Elts[Idx], Val, Addr, OpNo+1);
2242
2243     // Return the modified struct.
2244     return ConstantStruct::get(STy, Elts);
2245   }
2246
2247   ConstantInt *CI = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2248   SequentialType *InitTy = cast<SequentialType>(Init->getType());
2249
2250   uint64_t NumElts;
2251   if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(InitTy))
2252     NumElts = ATy->getNumElements();
2253   else
2254     NumElts = InitTy->getVectorNumElements();
2255
2256   // Break up the array into elements.
2257   for (uint64_t i = 0, e = NumElts; i != e; ++i)
2258     Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2259
2260   assert(CI->getZExtValue() < NumElts);
2261   Elts[CI->getZExtValue()] =
2262     EvaluateStoreInto(Elts[CI->getZExtValue()], Val, Addr, OpNo+1);
2263
2264   if (Init->getType()->isArrayTy())
2265     return ConstantArray::get(cast<ArrayType>(InitTy), Elts);
2266   return ConstantVector::get(Elts);
2267 }
2268
2269 /// We have decided that Addr (which satisfies the predicate
2270 /// isSimpleEnoughPointerToCommit) should get Val as its value.  Make it happen.
2271 static void CommitValueTo(Constant *Val, Constant *Addr) {
2272   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(Addr)) {
2273     assert(GV->hasInitializer());
2274     GV->setInitializer(Val);
2275     return;
2276   }
2277
2278   ConstantExpr *CE = cast<ConstantExpr>(Addr);
2279   GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2280   GV->setInitializer(EvaluateStoreInto(GV->getInitializer(), Val, CE, 2));
2281 }
2282
2283 namespace {
2284
2285 /// This class evaluates LLVM IR, producing the Constant representing each SSA
2286 /// instruction.  Changes to global variables are stored in a mapping that can
2287 /// be iterated over after the evaluation is complete.  Once an evaluation call
2288 /// fails, the evaluation object should not be reused.
2289 class Evaluator {
2290 public:
2291   Evaluator(const DataLayout &DL, const TargetLibraryInfo *TLI)
2292       : DL(DL), TLI(TLI) {
2293     ValueStack.emplace_back();
2294   }
2295
2296   ~Evaluator() {
2297     for (auto &Tmp : AllocaTmps)
2298       // If there are still users of the alloca, the program is doing something
2299       // silly, e.g. storing the address of the alloca somewhere and using it
2300       // later.  Since this is undefined, we'll just make it be null.
2301       if (!Tmp->use_empty())
2302         Tmp->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(Tmp->getType()));
2303   }
2304
2305   /// Evaluate a call to function F, returning true if successful, false if we
2306   /// can't evaluate it.  ActualArgs contains the formal arguments for the
2307   /// function.
2308   bool EvaluateFunction(Function *F, Constant *&RetVal,
2309                         const SmallVectorImpl<Constant*> &ActualArgs);
2310
2311   /// Evaluate all instructions in block BB, returning true if successful, false
2312   /// if we can't evaluate it.  NewBB returns the next BB that control flows
2313   /// into, or null upon return.
2314   bool EvaluateBlock(BasicBlock::iterator CurInst, BasicBlock *&NextBB);
2315
2316   Constant *getVal(Value *V) {
2317     if (Constant *CV = dyn_cast<Constant>(V)) return CV;
2318     Constant *R = ValueStack.back().lookup(V);
2319     assert(R && "Reference to an uncomputed value!");
2320     return R;
2321   }
2322
2323   void setVal(Value *V, Constant *C) {
2324     ValueStack.back()[V] = C;
2325   }
2326
2327   const DenseMap<Constant*, Constant*> &getMutatedMemory() const {
2328     return MutatedMemory;
2329   }
2330
2331   const SmallPtrSetImpl<GlobalVariable*> &getInvariants() const {
2332     return Invariants;
2333   }
2334
2335 private:
2336   Constant *ComputeLoadResult(Constant *P);
2337
2338   /// As we compute SSA register values, we store their contents here. The back
2339   /// of the deque contains the current function and the stack contains the
2340   /// values in the calling frames.
2341   std::deque<DenseMap<Value*, Constant*>> ValueStack;
2342
2343   /// This is used to detect recursion.  In pathological situations we could hit
2344   /// exponential behavior, but at least there is nothing unbounded.
2345   SmallVector<Function*, 4> CallStack;
2346
2347   /// For each store we execute, we update this map.  Loads check this to get
2348   /// the most up-to-date value.  If evaluation is successful, this state is
2349   /// committed to the process.
2350   DenseMap<Constant*, Constant*> MutatedMemory;
2351
2352   /// To 'execute' an alloca, we create a temporary global variable to represent
2353   /// its body.  This vector is needed so we can delete the temporary globals
2354   /// when we are done.
2355   SmallVector<std::unique_ptr<GlobalVariable>, 32> AllocaTmps;
2356
2357   /// These global variables have been marked invariant by the static
2358   /// constructor.
2359   SmallPtrSet<GlobalVariable*, 8> Invariants;
2360
2361   /// These are constants we have checked and know to be simple enough to live
2362   /// in a static initializer of a global.
2363   SmallPtrSet<Constant*, 8> SimpleConstants;
2364
2365   const DataLayout &DL;
2366   const TargetLibraryInfo *TLI;
2367 };
2368
2369 }  // anonymous namespace
2370
2371 /// Return the value that would be computed by a load from P after the stores
2372 /// reflected by 'memory' have been performed.  If we can't decide, return null.
2373 Constant *Evaluator::ComputeLoadResult(Constant *P) {
2374   // If this memory location has been recently stored, use the stored value: it
2375   // is the most up-to-date.
2376   DenseMap<Constant*, Constant*>::const_iterator I = MutatedMemory.find(P);
2377   if (I != MutatedMemory.end()) return I->second;
2378
2379   // Access it.
2380   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(P)) {
2381     if (GV->hasDefinitiveInitializer())
2382       return GV->getInitializer();
2383     return nullptr;
2384   }
2385
2386   // Handle a constantexpr getelementptr.
2387   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(P))
2388     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
2389         isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))) {
2390       GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2391       if (GV->hasDefinitiveInitializer())
2392         return ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(GV->getInitializer(), CE);
2393     }
2394
2395   return nullptr;  // don't know how to evaluate.
2396 }
2397
2398 /// Evaluate all instructions in block BB, returning true if successful, false
2399 /// if we can't evaluate it.  NewBB returns the next BB that control flows into,
2400 /// or null upon return.
2401 bool Evaluator::EvaluateBlock(BasicBlock::iterator CurInst,
2402                               BasicBlock *&NextBB) {
2403   // This is the main evaluation loop.
2404   while (1) {
2405     Constant *InstResult = nullptr;
2406
2407     DEBUG(dbgs() << "Evaluating Instruction: " << *CurInst << "\n");
2408
2409     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(CurInst)) {
2410       if (!SI->isSimple()) {
2411         DEBUG(dbgs() << "Store is not simple! Can not evaluate.\n");
2412         return false;  // no volatile/atomic accesses.
2413       }
2414       Constant *Ptr = getVal(SI->getOperand(1));
2415       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2416         DEBUG(dbgs() << "Folding constant ptr expression: " << *Ptr);
2417         Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2418         DEBUG(dbgs() << "; To: " << *Ptr << "\n");
2419       }
2420       if (!isSimpleEnoughPointerToCommit(Ptr)) {
2421         // If this is too complex for us to commit, reject it.
2422         DEBUG(dbgs() << "Pointer is too complex for us to evaluate store.");
2423         return false;
2424       }
2425
2426       Constant *Val = getVal(SI->getOperand(0));
2427
2428       // If this might be too difficult for the backend to handle (e.g. the addr
2429       // of one global variable divided by another) then we can't commit it.
2430       if (!isSimpleEnoughValueToCommit(Val, SimpleConstants, DL)) {
2431         DEBUG(dbgs() << "Store value is too complex to evaluate store. " << *Val
2432               << "\n");
2433         return false;
2434       }
2435
2436       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2437         if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast) {
2438           DEBUG(dbgs() << "Attempting to resolve bitcast on constant ptr.\n");
2439           // If we're evaluating a store through a bitcast, then we need
2440           // to pull the bitcast off the pointer type and push it onto the
2441           // stored value.
2442           Ptr = CE->getOperand(0);
2443
2444           Type *NewTy = cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType();
2445
2446           // In order to push the bitcast onto the stored value, a bitcast
2447           // from NewTy to Val's type must be legal.  If it's not, we can try
2448           // introspecting NewTy to find a legal conversion.
2449           while (!Val->getType()->canLosslesslyBitCastTo(NewTy)) {
2450             // If NewTy is a struct, we can convert the pointer to the struct
2451             // into a pointer to its first member.
2452             // FIXME: This could be extended to support arrays as well.
2453             if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(NewTy)) {
2454               NewTy = STy->getTypeAtIndex(0U);
2455
2456               IntegerType *IdxTy = IntegerType::get(NewTy->getContext(), 32);
2457               Constant *IdxZero = ConstantInt::get(IdxTy, 0, false);
2458               Constant * const IdxList[] = {IdxZero, IdxZero};
2459
2460               Ptr = ConstantExpr::getGetElementPtr(nullptr, Ptr, IdxList);
2461               if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr))
2462                 Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2463
2464             // If we can't improve the situation by introspecting NewTy,
2465             // we have to give up.
2466             } else {
2467               DEBUG(dbgs() << "Failed to bitcast constant ptr, can not "
2468                     "evaluate.\n");
2469               return false;
2470             }
2471           }
2472
2473           // If we found compatible types, go ahead and push the bitcast
2474           // onto the stored value.
2475           Val = ConstantExpr::getBitCast(Val, NewTy);
2476
2477           DEBUG(dbgs() << "Evaluated bitcast: " << *Val << "\n");
2478         }
2479       }
2480
2481       MutatedMemory[Ptr] = Val;
2482     } else if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(CurInst)) {
2483       InstResult = ConstantExpr::get(BO->getOpcode(),
2484                                      getVal(BO->getOperand(0)),
2485                                      getVal(BO->getOperand(1)));
2486       DEBUG(dbgs() << "Found a BinaryOperator! Simplifying: " << *InstResult
2487             << "\n");
2488     } else if (CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(CurInst)) {
2489       InstResult = ConstantExpr::getCompare(CI->getPredicate(),
2490                                             getVal(CI->getOperand(0)),
2491                                             getVal(CI->getOperand(1)));
2492       DEBUG(dbgs() << "Found a CmpInst! Simplifying: " << *InstResult
2493             << "\n");
2494     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(CurInst)) {
2495       InstResult = ConstantExpr::getCast(CI->getOpcode(),
2496                                          getVal(CI->getOperand(0)),
2497                                          CI->getType());
2498       DEBUG(dbgs() << "Found a Cast! Simplifying: " << *InstResult
2499             << "\n");
2500     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(CurInst)) {
2501       InstResult = ConstantExpr::getSelect(getVal(SI->getOperand(0)),
2502                                            getVal(SI->getOperand(1)),
2503                                            getVal(SI->getOperand(2)));
2504       DEBUG(dbgs() << "Found a Select! Simplifying: " << *InstResult
2505             << "\n");
2506     } else if (auto *EVI = dyn_cast<ExtractValueInst>(CurInst)) {
2507       InstResult = ConstantExpr::getExtractValue(
2508           getVal(EVI->getAggregateOperand()), EVI->getIndices());
2509       DEBUG(dbgs() << "Found an ExtractValueInst! Simplifying: " << *InstResult
2510                    << "\n");
2511     } else if (auto *IVI = dyn_cast<InsertValueInst>(CurInst)) {
2512       InstResult = ConstantExpr::getInsertValue(
2513           getVal(IVI->getAggregateOperand()),
2514           getVal(IVI->getInsertedValueOperand()), IVI->getIndices());
2515       DEBUG(dbgs() << "Found an InsertValueInst! Simplifying: " << *InstResult
2516                    << "\n");
2517     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(CurInst)) {
2518       Constant *P = getVal(GEP->getOperand(0));
2519       SmallVector<Constant*, 8> GEPOps;
2520       for (User::op_iterator i = GEP->op_begin() + 1, e = GEP->op_end();
2521            i != e; ++i)
2522         GEPOps.push_back(getVal(*i));
2523       InstResult =
2524           ConstantExpr::getGetElementPtr(GEP->getSourceElementType(), P, GEPOps,
2525                                          cast<GEPOperator>(GEP)->isInBounds());
2526       DEBUG(dbgs() << "Found a GEP! Simplifying: " << *InstResult
2527             << "\n");
2528     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(CurInst)) {
2529
2530       if (!LI->isSimple()) {
2531         DEBUG(dbgs() << "Found a Load! Not a simple load, can not evaluate.\n");
2532         return false;  // no volatile/atomic accesses.
2533       }
2534
2535       Constant *Ptr = getVal(LI->getOperand(0));
2536       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2537         Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2538         DEBUG(dbgs() << "Found a constant pointer expression, constant "
2539               "folding: " << *Ptr << "\n");
2540       }
2541       InstResult = ComputeLoadResult(Ptr);
2542       if (!InstResult) {
2543         DEBUG(dbgs() << "Failed to compute load result. Can not evaluate load."
2544               "\n");
2545         return false; // Could not evaluate load.
2546       }
2547
2548       DEBUG(dbgs() << "Evaluated load: " << *InstResult << "\n");
2549     } else if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(CurInst)) {
2550       if (AI->isArrayAllocation()) {
2551         DEBUG(dbgs() << "Found an array alloca. Can not evaluate.\n");
2552         return false;  // Cannot handle array allocs.
2553       }
2554       Type *Ty = AI->getType()->getElementType();
2555       AllocaTmps.push_back(
2556           make_unique<GlobalVariable>(Ty, false, GlobalValue::InternalLinkage,
2557                                       UndefValue::get(Ty), AI->getName()));
2558       InstResult = AllocaTmps.back().get();
2559       DEBUG(dbgs() << "Found an alloca. Result: " << *InstResult << "\n");
2560     } else if (isa<CallInst>(CurInst) || isa<InvokeInst>(CurInst)) {
2561       CallSite CS(&*CurInst);
2562
2563       // Debug info can safely be ignored here.
2564       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(CS.getInstruction())) {
2565         DEBUG(dbgs() << "Ignoring debug info.\n");
2566         ++CurInst;
2567         continue;
2568       }
2569
2570       // Cannot handle inline asm.
2571       if (isa<InlineAsm>(CS.getCalledValue())) {
2572         DEBUG(dbgs() << "Found inline asm, can not evaluate.\n");
2573         return false;
2574       }
2575
2576       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(CS.getInstruction())) {
2577         if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(II)) {
2578           if (MSI->isVolatile()) {
2579             DEBUG(dbgs() << "Can not optimize a volatile memset " <<
2580                   "intrinsic.\n");
2581             return false;
2582           }
2583           Constant *Ptr = getVal(MSI->getDest());
2584           Constant *Val = getVal(MSI->getValue());
2585           Constant *DestVal = ComputeLoadResult(getVal(Ptr));
2586           if (Val->isNullValue() && DestVal && DestVal->isNullValue()) {
2587             // This memset is a no-op.
2588             DEBUG(dbgs() << "Ignoring no-op memset.\n");
2589             ++CurInst;
2590             continue;
2591           }
2592         }
2593
2594         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
2595             II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
2596           DEBUG(dbgs() << "Ignoring lifetime intrinsic.\n");
2597           ++CurInst;
2598           continue;
2599         }
2600
2601         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::invariant_start) {
2602           // We don't insert an entry into Values, as it doesn't have a
2603           // meaningful return value.
2604           if (!II->use_empty()) {
2605             DEBUG(dbgs() << "Found unused invariant_start. Can't evaluate.\n");
2606             return false;
2607           }
2608           ConstantInt *Size = cast<ConstantInt>(II->getArgOperand(0));
2609           Value *PtrArg = getVal(II->getArgOperand(1));
2610           Value *Ptr = PtrArg->stripPointerCasts();
2611           if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(Ptr)) {
2612             Type *ElemTy = cast<PointerType>(GV->getType())->getElementType();
2613             if (!Size->isAllOnesValue() &&
2614                 Size->getValue().getLimitedValue() >=
2615                     DL.getTypeStoreSize(ElemTy)) {
2616               Invariants.insert(GV);
2617               DEBUG(dbgs() << "Found a global var that is an invariant: " << *GV
2618                     << "\n");
2619             } else {
2620               DEBUG(dbgs() << "Found a global var, but can not treat it as an "
2621                     "invariant.\n");
2622             }
2623           }
2624           // Continue even if we do nothing.
2625           ++CurInst;
2626           continue;
2627         } else if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::assume) {
2628           DEBUG(dbgs() << "Skipping assume intrinsic.\n");
2629           ++CurInst;
2630           continue;
2631         }
2632
2633         DEBUG(dbgs() << "Unknown intrinsic. Can not evaluate.\n");
2634         return false;
2635       }
2636
2637       // Resolve function pointers.
2638       Function *Callee = dyn_cast<Function>(getVal(CS.getCalledValue()));
2639       if (!Callee || Callee->mayBeOverridden()) {
2640         DEBUG(dbgs() << "Can not resolve function pointer.\n");
2641         return false;  // Cannot resolve.
2642       }
2643
2644       SmallVector<Constant*, 8> Formals;
2645       for (User::op_iterator i = CS.arg_begin(), e = CS.arg_end(); i != e; ++i)
2646         Formals.push_back(getVal(*i));
2647
2648       if (Callee->isDeclaration()) {
2649         // If this is a function we can constant fold, do it.
2650         if (Constant *C = ConstantFoldCall(Callee, Formals, TLI)) {
2651           InstResult = C;
2652           DEBUG(dbgs() << "Constant folded function call. Result: " <<
2653                 *InstResult << "\n");
2654         } else {
2655           DEBUG(dbgs() << "Can not constant fold function call.\n");
2656           return false;
2657         }
2658       } else {
2659         if (Callee->getFunctionType()->isVarArg()) {
2660           DEBUG(dbgs() << "Can not constant fold vararg function call.\n");
2661           return false;
2662         }
2663
2664         Constant *RetVal = nullptr;
2665         // Execute the call, if successful, use the return value.
2666         ValueStack.emplace_back();
2667         if (!EvaluateFunction(Callee, RetVal, Formals)) {
2668           DEBUG(dbgs() << "Failed to evaluate function.\n");
2669           return false;
2670         }
2671         ValueStack.pop_back();
2672         InstResult = RetVal;
2673
2674         if (InstResult) {
2675           DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated function. Result: " <<
2676                 InstResult << "\n\n");
2677         } else {
2678           DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated function. Result: 0\n\n");
2679         }
2680       }
2681     } else if (isa<TerminatorInst>(CurInst)) {
2682       DEBUG(dbgs() << "Found a terminator instruction.\n");
2683
2684       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(CurInst)) {
2685         if (BI->isUnconditional()) {
2686           NextBB = BI->getSuccessor(0);
2687         } else {
2688           ConstantInt *Cond =
2689             dyn_cast<ConstantInt>(getVal(BI->getCondition()));
2690           if (!Cond) return false;  // Cannot determine.
2691
2692           NextBB = BI->getSuccessor(!Cond->getZExtValue());
2693         }
2694       } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(CurInst)) {
2695         ConstantInt *Val =
2696           dyn_cast<ConstantInt>(getVal(SI->getCondition()));
2697         if (!Val) return false;  // Cannot determine.
2698         NextBB = SI->findCaseValue(Val).getCaseSuccessor();
2699       } else if (IndirectBrInst *IBI = dyn_cast<IndirectBrInst>(CurInst)) {
2700         Value *Val = getVal(IBI->getAddress())->stripPointerCasts();
2701         if (BlockAddress *BA = dyn_cast<BlockAddress>(Val))
2702           NextBB = BA->getBasicBlock();
2703         else
2704           return false;  // Cannot determine.
2705       } else if (isa<ReturnInst>(CurInst)) {
2706         NextBB = nullptr;
2707       } else {
2708         // invoke, unwind, resume, unreachable.
2709         DEBUG(dbgs() << "Can not handle terminator.");
2710         return false;  // Cannot handle this terminator.
2711       }
2712
2713       // We succeeded at evaluating this block!
2714       DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated block.\n");
2715       return true;
2716     } else {
2717       // Did not know how to evaluate this!
2718       DEBUG(dbgs() << "Failed to evaluate block due to unhandled instruction."
2719             "\n");
2720       return false;
2721     }
2722
2723     if (!CurInst->use_empty()) {
2724       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(InstResult))
2725         InstResult = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2726
2727       setVal(&*CurInst, InstResult);
2728     }
2729
2730     // If we just processed an invoke, we finished evaluating the block.
2731     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(CurInst)) {
2732       NextBB = II->getNormalDest();
2733       DEBUG(dbgs() << "Found an invoke instruction. Finished Block.\n\n");
2734       return true;
2735     }
2736
2737     // Advance program counter.
2738     ++CurInst;
2739   }
2740 }
2741
2742 /// Evaluate a call to function F, returning true if successful, false if we
2743 /// can't evaluate it.  ActualArgs contains the formal arguments for the
2744 /// function.
2745 bool Evaluator::EvaluateFunction(Function *F, Constant *&RetVal,
2746                                  const SmallVectorImpl<Constant*> &ActualArgs) {
2747   // Check to see if this function is already executing (recursion).  If so,
2748   // bail out.  TODO: we might want to accept limited recursion.
2749   if (std::find(CallStack.begin(), CallStack.end(), F) != CallStack.end())
2750     return false;
2751
2752   CallStack.push_back(F);
2753
2754   // Initialize arguments to the incoming values specified.
2755   unsigned ArgNo = 0;
2756   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); AI != E;
2757        ++AI, ++ArgNo)
2758     setVal(&*AI, ActualArgs[ArgNo]);
2759
2760   // ExecutedBlocks - We only handle non-looping, non-recursive code.  As such,
2761   // we can only evaluate any one basic block at most once.  This set keeps
2762   // track of what we have executed so we can detect recursive cases etc.
2763   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> ExecutedBlocks;
2764
2765   // CurBB - The current basic block we're evaluating.
2766   BasicBlock *CurBB = &F->front();
2767
2768   BasicBlock::iterator CurInst = CurBB->begin();
2769
2770   while (1) {
2771     BasicBlock *NextBB = nullptr; // Initialized to avoid compiler warnings.
2772     DEBUG(dbgs() << "Trying to evaluate BB: " << *CurBB << "\n");
2773
2774     if (!EvaluateBlock(CurInst, NextBB))
2775       return false;
2776
2777     if (!NextBB) {
2778       // Successfully running until there's no next block means that we found
2779       // the return.  Fill it the return value and pop the call stack.
2780       ReturnInst *RI = cast<ReturnInst>(CurBB->getTerminator());
2781       if (RI->getNumOperands())
2782         RetVal = getVal(RI->getOperand(0));
2783       CallStack.pop_back();
2784       return true;
2785     }
2786
2787     // Okay, we succeeded in evaluating this control flow.  See if we have
2788     // executed the new block before.  If so, we have a looping function,
2789     // which we cannot evaluate in reasonable time.
2790     if (!ExecutedBlocks.insert(NextBB).second)
2791       return false;  // looped!
2792
2793     // Okay, we have never been in this block before.  Check to see if there
2794     // are any PHI nodes.  If so, evaluate them with information about where
2795     // we came from.
2796     PHINode *PN = nullptr;
2797     for (CurInst = NextBB->begin();
2798          (PN = dyn_cast<PHINode>(CurInst)); ++CurInst)
2799       setVal(PN, getVal(PN->getIncomingValueForBlock(CurBB)));
2800
2801     // Advance to the next block.
2802     CurBB = NextBB;
2803   }
2804 }
2805
2806 /// Evaluate static constructors in the function, if we can.  Return true if we
2807 /// can, false otherwise.
2808 static bool EvaluateStaticConstructor(Function *F, const DataLayout &DL,
2809                                       const TargetLibraryInfo *TLI) {
2810   // Call the function.
2811   Evaluator Eval(DL, TLI);
2812   Constant *RetValDummy;
2813   bool EvalSuccess = Eval.EvaluateFunction(F, RetValDummy,
2814                                            SmallVector<Constant*, 0>());
2815
2816   if (EvalSuccess) {
2817     ++NumCtorsEvaluated;
2818
2819     // We succeeded at evaluation: commit the result.
2820     DEBUG(dbgs() << "FULLY EVALUATED GLOBAL CTOR FUNCTION '"
2821           << F->getName() << "' to " << Eval.getMutatedMemory().size()
2822           << " stores.\n");
2823     for (DenseMap<Constant*, Constant*>::const_iterator I =
2824            Eval.getMutatedMemory().begin(), E = Eval.getMutatedMemory().end();
2825          I != E; ++I)
2826       CommitValueTo(I->second, I->first);
2827     for (GlobalVariable *GV : Eval.getInvariants())
2828       GV->setConstant(true);
2829   }
2830
2831   return EvalSuccess;
2832 }
2833
2834 static int compareNames(Constant *const *A, Constant *const *B) {
2835   return (*A)->stripPointerCasts()->getName().compare(
2836       (*B)->stripPointerCasts()->getName());
2837 }
2838
2839 static void setUsedInitializer(GlobalVariable &V,
2840                                const SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> &Init) {
2841   if (Init.empty()) {
2842     V.eraseFromParent();
2843     return;
2844   }
2845
2846   // Type of pointer to the array of pointers.
2847   PointerType *Int8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(V.getContext(), 0);
2848
2849   SmallVector<llvm::Constant *, 8> UsedArray;
2850   for (GlobalValue *GV : Init) {
2851     Constant *Cast
2852       = ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(GV, Int8PtrTy);
2853     UsedArray.push_back(Cast);
2854   }
2855   // Sort to get deterministic order.
2856   array_pod_sort(UsedArray.begin(), UsedArray.end(), compareNames);
2857   ArrayType *ATy = ArrayType::get(Int8PtrTy, UsedArray.size());
2858
2859   Module *M = V.getParent();
2860   V.removeFromParent();
2861   GlobalVariable *NV =
2862       new GlobalVariable(*M, ATy, false, llvm::GlobalValue::AppendingLinkage,
2863                          llvm::ConstantArray::get(ATy, UsedArray), "");
2864   NV->takeName(&V);
2865   NV->setSection("llvm.metadata");
2866   delete &V;
2867 }
2868
2869 namespace {
2870 /// An easy to access representation of llvm.used and llvm.compiler.used.
2871 class LLVMUsed {
2872   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> Used;
2873   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> CompilerUsed;
2874   GlobalVariable *UsedV;
2875   GlobalVariable *CompilerUsedV;
2876
2877 public:
2878   LLVMUsed(Module &M) {
2879     UsedV = collectUsedGlobalVariables(M, Used, false);
2880     CompilerUsedV = collectUsedGlobalVariables(M, CompilerUsed, true);
2881   }
2882   typedef SmallPtrSet<GlobalValue *, 8>::iterator iterator;
2883   typedef iterator_range<iterator> used_iterator_range;
2884   iterator usedBegin() { return Used.begin(); }
2885   iterator usedEnd() { return Used.end(); }
2886   used_iterator_range used() {
2887     return used_iterator_range(usedBegin(), usedEnd());
2888   }
2889   iterator compilerUsedBegin() { return CompilerUsed.begin(); }
2890   iterator compilerUsedEnd() { return CompilerUsed.end(); }
2891   used_iterator_range compilerUsed() {
2892     return used_iterator_range(compilerUsedBegin(), compilerUsedEnd());
2893   }
2894   bool usedCount(GlobalValue *GV) const { return Used.count(GV); }
2895   bool compilerUsedCount(GlobalValue *GV) const {
2896     return CompilerUsed.count(GV);
2897   }
2898   bool usedErase(GlobalValue *GV) { return Used.erase(GV); }
2899   bool compilerUsedErase(GlobalValue *GV) { return CompilerUsed.erase(GV); }
2900   bool usedInsert(GlobalValue *GV) { return Used.insert(GV).second; }
2901   bool compilerUsedInsert(GlobalValue *GV) {
2902     return CompilerUsed.insert(GV).second;
2903   }
2904
2905   void syncVariablesAndSets() {
2906     if (UsedV)
2907       setUsedInitializer(*UsedV, Used);
2908     if (CompilerUsedV)
2909       setUsedInitializer(*CompilerUsedV, CompilerUsed);
2910   }
2911 };
2912 }
2913
2914 static bool hasUseOtherThanLLVMUsed(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2915   if (GA.use_empty()) // No use at all.
2916     return false;
2917
2918   assert((!U.usedCount(&GA) || !U.compilerUsedCount(&GA)) &&
2919          "We should have removed the duplicated "
2920          "element from llvm.compiler.used");
2921   if (!GA.hasOneUse())
2922     // Strictly more than one use. So at least one is not in llvm.used and
2923     // llvm.compiler.used.
2924     return true;
2925
2926   // Exactly one use. Check if it is in llvm.used or llvm.compiler.used.
2927   return !U.usedCount(&GA) && !U.compilerUsedCount(&GA);
2928 }
2929
2930 static bool hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(GlobalValue &V,
2931                                                const LLVMUsed &U) {
2932   unsigned N = 2;
2933   assert((!U.usedCount(&V) || !U.compilerUsedCount(&V)) &&
2934          "We should have removed the duplicated "
2935          "element from llvm.compiler.used");
2936   if (U.usedCount(&V) || U.compilerUsedCount(&V))
2937     ++N;
2938   return V.hasNUsesOrMore(N);
2939 }
2940
2941 static bool mayHaveOtherReferences(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2942   if (!GA.hasLocalLinkage())
2943     return true;
2944
2945   return U.usedCount(&GA) || U.compilerUsedCount(&GA);
2946 }
2947
2948 static bool hasUsesToReplace(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U,
2949                              bool &RenameTarget) {
2950   RenameTarget = false;
2951   bool Ret = false;
2952   if (hasUseOtherThanLLVMUsed(GA, U))
2953     Ret = true;
2954
2955   // If the alias is externally visible, we may still be able to simplify it.
2956   if (!mayHaveOtherReferences(GA, U))
2957     return Ret;
2958
2959   // If the aliasee has internal linkage, give it the name and linkage
2960   // of the alias, and delete the alias.  This turns:
2961   //   define internal ... @f(...)
2962   //   @a = alias ... @f
2963   // into:
2964   //   define ... @a(...)
2965   Constant *Aliasee = GA.getAliasee();
2966   GlobalValue *Target = cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2967   if (!Target->hasLocalLinkage())
2968     return Ret;
2969
2970   // Do not perform the transform if multiple aliases potentially target the
2971   // aliasee. This check also ensures that it is safe to replace the section
2972   // and other attributes of the aliasee with those of the alias.
2973   if (hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(*Target, U))
2974     return Ret;
2975
2976   RenameTarget = true;
2977   return true;
2978 }
2979
2980 bool GlobalOpt::OptimizeGlobalAliases(Module &M) {
2981   bool Changed = false;
2982   LLVMUsed Used(M);
2983
2984   for (GlobalValue *GV : Used.used())
2985     Used.compilerUsedErase(GV);
2986
2987   for (Module::alias_iterator I = M.alias_begin(), E = M.alias_end();
2988        I != E;) {
2989     Module::alias_iterator J = I++;
2990     // Aliases without names cannot be referenced outside this module.
2991     if (!J->hasName() && !J->isDeclaration() && !J->hasLocalLinkage())
2992       J->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2993     // If the aliasee may change at link time, nothing can be done - bail out.
2994     if (J->mayBeOverridden())
2995       continue;
2996
2997     Constant *Aliasee = J->getAliasee();
2998     GlobalValue *Target = dyn_cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2999     // We can't trivially replace the alias with the aliasee if the aliasee is
3000     // non-trivial in some way.
3001     // TODO: Try to handle non-zero GEPs of local aliasees.
3002     if (!Target)
3003       continue;
3004     Target->removeDeadConstantUsers();
3005
3006     // Make all users of the alias use the aliasee instead.
3007     bool RenameTarget;
3008     if (!hasUsesToReplace(*J, Used, RenameTarget))
3009       continue;
3010
3011     J->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(Aliasee, J->getType()));
3012     ++NumAliasesResolved;
3013     Changed = true;
3014
3015     if (RenameTarget) {
3016       // Give the aliasee the name, linkage and other attributes of the alias.
3017       Target->takeName(&*J);
3018       Target->setLinkage(J->getLinkage());
3019       Target->setVisibility(J->getVisibility());
3020       Target->setDLLStorageClass(J->getDLLStorageClass());
3021
3022       if (Used.usedErase(&*J))
3023         Used.usedInsert(Target);
3024
3025       if (Used.compilerUsedErase(&*J))
3026         Used.compilerUsedInsert(Target);
3027     } else if (mayHaveOtherReferences(*J, Used))
3028       continue;
3029
3030     // Delete the alias.
3031     M.getAliasList().erase(J);
3032     ++NumAliasesRemoved;
3033     Changed = true;
3034   }
3035
3036   Used.syncVariablesAndSets();
3037
3038   return Changed;
3039 }
3040
3041 static Function *FindCXAAtExit(Module &M, TargetLibraryInfo *TLI) {
3042   if (!TLI->has(LibFunc::cxa_atexit))
3043     return nullptr;
3044
3045   Function *Fn = M.getFunction(TLI->getName(LibFunc::cxa_atexit));
3046
3047   if (!Fn)
3048     return nullptr;
3049
3050   FunctionType *FTy = Fn->getFunctionType();
3051
3052   // Checking that the function has the right return type, the right number of
3053   // parameters and that they all have pointer types should be enough.
3054   if (!FTy->getReturnType()->isIntegerTy() ||
3055       FTy->getNumParams() != 3 ||
3056       !FTy->getParamType(0)->isPointerTy() ||
3057       !FTy->getParamType(1)->isPointerTy() ||
3058       !FTy->getParamType(2)->isPointerTy())
3059     return nullptr;
3060
3061   return Fn;
3062 }
3063
3064 /// Returns whether the given function is an empty C++ destructor and can
3065 /// therefore be eliminated.
3066 /// Note that we assume that other optimization passes have already simplified
3067 /// the code so we only look for a function with a single basic block, where
3068 /// the only allowed instructions are 'ret', 'call' to an empty C++ dtor and
3069 /// other side-effect free instructions.
3070 static bool cxxDtorIsEmpty(const Function &Fn,
3071                            SmallPtrSet<const Function *, 8> &CalledFunctions) {
3072   // FIXME: We could eliminate C++ destructors if they're readonly/readnone and
3073   // nounwind, but that doesn't seem worth doing.
3074   if (Fn.isDeclaration())
3075     return false;
3076
3077   if (++Fn.begin() != Fn.end())
3078     return false;
3079
3080   const BasicBlock &EntryBlock = Fn.getEntryBlock();
3081   for (BasicBlock::const_iterator I = EntryBlock.begin(), E = EntryBlock.end();
3082        I != E; ++I) {
3083     if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
3084       // Ignore debug intrinsics.
3085       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(CI))
3086         continue;
3087
3088       const Function *CalledFn = CI->getCalledFunction();
3089
3090       if (!CalledFn)
3091         return false;
3092
3093       SmallPtrSet<const Function *, 8> NewCalledFunctions(CalledFunctions);
3094
3095       // Don't treat recursive functions as empty.
3096       if (!NewCalledFunctions.insert(CalledFn).second)
3097         return false;
3098
3099       if (!cxxDtorIsEmpty(*CalledFn, NewCalledFunctions))
3100         return false;
3101     } else if (isa<ReturnInst>(*I))
3102       return true; // We're done.
3103     else if (I->mayHaveSideEffects())
3104       return false; // Destructor with side effects, bail.
3105   }
3106
3107   return false;
3108 }
3109
3110 bool GlobalOpt::OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(Function *CXAAtExitFn) {
3111   /// Itanium C++ ABI p3.3.5:
3112   ///
3113   ///   After constructing a global (or local static) object, that will require
3114   ///   destruction on exit, a termination function is registered as follows:
3115   ///
3116   ///   extern "C" int __cxa_atexit ( void (*f)(void *), void *p, void *d );
3117   ///
3118   ///   This registration, e.g. __cxa_atexit(f,p,d), is intended to cause the
3119   ///   call f(p) when DSO d is unloaded, before all such termination calls
3120   ///   registered before this one. It returns zero if registration is
3121   ///   successful, nonzero on failure.
3122
3123   // This pass will look for calls to __cxa_atexit where the function is trivial
3124   // and remove them.
3125   bool Changed = false;
3126
3127   for (auto I = CXAAtExitFn->user_begin(), E = CXAAtExitFn->user_end();
3128        I != E;) {
3129     // We're only interested in calls. Theoretically, we could handle invoke
3130     // instructions as well, but neither llvm-gcc nor clang generate invokes
3131     // to __cxa_atexit.
3132     CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(*I++);
3133     if (!CI)
3134       continue;
3135
3136     Function *DtorFn =
3137       dyn_cast<Function>(CI->getArgOperand(0)->stripPointerCasts());
3138     if (!DtorFn)
3139       continue;
3140
3141     SmallPtrSet<const Function *, 8> CalledFunctions;
3142     if (!cxxDtorIsEmpty(*DtorFn, CalledFunctions))
3143       continue;
3144
3145     // Just remove the call.
3146     CI->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(CI->getType()));
3147     CI->eraseFromParent();
3148
3149     ++NumCXXDtorsRemoved;
3150
3151     Changed |= true;
3152   }
3153
3154   return Changed;
3155 }
3156
3157 bool GlobalOpt::runOnModule(Module &M) {
3158   bool Changed = false;
3159
3160   auto &DL = M.getDataLayout();
3161   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
3162
3163   bool LocalChange = true;
3164   while (LocalChange) {
3165     LocalChange = false;
3166
3167     NotDiscardableComdats.clear();
3168     for (const GlobalVariable &GV : M.globals())
3169       if (const Comdat *C = GV.getComdat())
3170         if (!GV.isDiscardableIfUnused() || !GV.use_empty())
3171           NotDiscardableComdats.insert(C);
3172     for (Function &F : M)
3173       if (const Comdat *C = F.getComdat())
3174         if (!F.isDefTriviallyDead())
3175           NotDiscardableComdats.insert(C);
3176     for (GlobalAlias &GA : M.aliases())
3177       if (const Comdat *C = GA.getComdat())
3178         if (!GA.isDiscardableIfUnused() || !GA.use_empty())
3179           NotDiscardableComdats.insert(C);
3180
3181     // Delete functions that are trivially dead, ccc -> fastcc
3182     LocalChange |= OptimizeFunctions(M);
3183
3184     // Optimize global_ctors list.
3185     LocalChange |= optimizeGlobalCtorsList(M, [&](Function *F) {
3186       return EvaluateStaticConstructor(F, DL, TLI);
3187     });
3188
3189     // Optimize non-address-taken globals.
3190     LocalChange |= OptimizeGlobalVars(M);
3191
3192     // Resolve aliases, when possible.
3193     LocalChange |= OptimizeGlobalAliases(M);
3194
3195     // Try to remove trivial global destructors if they are not removed
3196     // already.
3197     Function *CXAAtExitFn = FindCXAAtExit(M, TLI);
3198     if (CXAAtExitFn)
3199       LocalChange |= OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(CXAAtExitFn);
3200
3201     Changed |= LocalChange;
3202   }
3203
3204   // TODO: Move all global ctors functions to the end of the module for code
3205   // layout.
3206
3207   return Changed;
3208 }
3209