[IC] Turn non-null MD on pointer loads to range MD on integer loads.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / InstCombine / InstCombineLoadStoreAlloca.cpp
1 //===- InstCombineLoadStoreAlloca.cpp -------------------------------------===//
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 file implements the visit functions for load, store and alloca.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #include "InstCombineInternal.h"
15 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
16 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
17 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
18 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
19 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
20 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
21 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
22 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
23 using namespace llvm;
24
25 #define DEBUG_TYPE "instcombine"
26
27 STATISTIC(NumDeadStore,    "Number of dead stores eliminated");
28 STATISTIC(NumGlobalCopies, "Number of allocas copied from constant global");
29
30 /// pointsToConstantGlobal - Return true if V (possibly indirectly) points to
31 /// some part of a constant global variable.  This intentionally only accepts
32 /// constant expressions because we can't rewrite arbitrary instructions.
33 static bool pointsToConstantGlobal(Value *V) {
34   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
35     return GV->isConstant();
36
37   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V)) {
38     if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast ||
39         CE->getOpcode() == Instruction::AddrSpaceCast ||
40         CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
41       return pointsToConstantGlobal(CE->getOperand(0));
42   }
43   return false;
44 }
45
46 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Recursively walk the uses of a (derived)
47 /// pointer to an alloca.  Ignore any reads of the pointer, return false if we
48 /// see any stores or other unknown uses.  If we see pointer arithmetic, keep
49 /// track of whether it moves the pointer (with IsOffset) but otherwise traverse
50 /// the uses.  If we see a memcpy/memmove that targets an unoffseted pointer to
51 /// the alloca, and if the source pointer is a pointer to a constant global, we
52 /// can optimize this.
53 static bool
54 isOnlyCopiedFromConstantGlobal(Value *V, MemTransferInst *&TheCopy,
55                                SmallVectorImpl<Instruction *> &ToDelete) {
56   // We track lifetime intrinsics as we encounter them.  If we decide to go
57   // ahead and replace the value with the global, this lets the caller quickly
58   // eliminate the markers.
59
60   SmallVector<std::pair<Value *, bool>, 35> ValuesToInspect;
61   ValuesToInspect.push_back(std::make_pair(V, false));
62   while (!ValuesToInspect.empty()) {
63     auto ValuePair = ValuesToInspect.pop_back_val();
64     const bool IsOffset = ValuePair.second;
65     for (auto &U : ValuePair.first->uses()) {
66       Instruction *I = cast<Instruction>(U.getUser());
67
68       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
69         // Ignore non-volatile loads, they are always ok.
70         if (!LI->isSimple()) return false;
71         continue;
72       }
73
74       if (isa<BitCastInst>(I) || isa<AddrSpaceCastInst>(I)) {
75         // If uses of the bitcast are ok, we are ok.
76         ValuesToInspect.push_back(std::make_pair(I, IsOffset));
77         continue;
78       }
79       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
80         // If the GEP has all zero indices, it doesn't offset the pointer. If it
81         // doesn't, it does.
82         ValuesToInspect.push_back(
83             std::make_pair(I, IsOffset || !GEP->hasAllZeroIndices()));
84         continue;
85       }
86
87       if (CallSite CS = I) {
88         // If this is the function being called then we treat it like a load and
89         // ignore it.
90         if (CS.isCallee(&U))
91           continue;
92
93         // Inalloca arguments are clobbered by the call.
94         unsigned ArgNo = CS.getArgumentNo(&U);
95         if (CS.isInAllocaArgument(ArgNo))
96           return false;
97
98         // If this is a readonly/readnone call site, then we know it is just a
99         // load (but one that potentially returns the value itself), so we can
100         // ignore it if we know that the value isn't captured.
101         if (CS.onlyReadsMemory() &&
102             (CS.getInstruction()->use_empty() || CS.doesNotCapture(ArgNo)))
103           continue;
104
105         // If this is being passed as a byval argument, the caller is making a
106         // copy, so it is only a read of the alloca.
107         if (CS.isByValArgument(ArgNo))
108           continue;
109       }
110
111       // Lifetime intrinsics can be handled by the caller.
112       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
113         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
114             II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
115           assert(II->use_empty() && "Lifetime markers have no result to use!");
116           ToDelete.push_back(II);
117           continue;
118         }
119       }
120
121       // If this is isn't our memcpy/memmove, reject it as something we can't
122       // handle.
123       MemTransferInst *MI = dyn_cast<MemTransferInst>(I);
124       if (!MI)
125         return false;
126
127       // If the transfer is using the alloca as a source of the transfer, then
128       // ignore it since it is a load (unless the transfer is volatile).
129       if (U.getOperandNo() == 1) {
130         if (MI->isVolatile()) return false;
131         continue;
132       }
133
134       // If we already have seen a copy, reject the second one.
135       if (TheCopy) return false;
136
137       // If the pointer has been offset from the start of the alloca, we can't
138       // safely handle this.
139       if (IsOffset) return false;
140
141       // If the memintrinsic isn't using the alloca as the dest, reject it.
142       if (U.getOperandNo() != 0) return false;
143
144       // If the source of the memcpy/move is not a constant global, reject it.
145       if (!pointsToConstantGlobal(MI->getSource()))
146         return false;
147
148       // Otherwise, the transform is safe.  Remember the copy instruction.
149       TheCopy = MI;
150     }
151   }
152   return true;
153 }
154
155 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Return true if the specified alloca is only
156 /// modified by a copy from a constant global.  If we can prove this, we can
157 /// replace any uses of the alloca with uses of the global directly.
158 static MemTransferInst *
159 isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI,
160                                SmallVectorImpl<Instruction *> &ToDelete) {
161   MemTransferInst *TheCopy = nullptr;
162   if (isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI, TheCopy, ToDelete))
163     return TheCopy;
164   return nullptr;
165 }
166
167 Instruction *InstCombiner::visitAllocaInst(AllocaInst &AI) {
168   // Ensure that the alloca array size argument has type intptr_t, so that
169   // any casting is exposed early.
170   if (DL) {
171     Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(AI.getType());
172     if (AI.getArraySize()->getType() != IntPtrTy) {
173       Value *V = Builder->CreateIntCast(AI.getArraySize(),
174                                         IntPtrTy, false);
175       AI.setOperand(0, V);
176       return &AI;
177     }
178   }
179
180   // Convert: alloca Ty, C - where C is a constant != 1 into: alloca [C x Ty], 1
181   if (AI.isArrayAllocation()) {  // Check C != 1
182     if (const ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(AI.getArraySize())) {
183       Type *NewTy =
184         ArrayType::get(AI.getAllocatedType(), C->getZExtValue());
185       AllocaInst *New = Builder->CreateAlloca(NewTy, nullptr, AI.getName());
186       New->setAlignment(AI.getAlignment());
187
188       // Scan to the end of the allocation instructions, to skip over a block of
189       // allocas if possible...also skip interleaved debug info
190       //
191       BasicBlock::iterator It = New;
192       while (isa<AllocaInst>(*It) || isa<DbgInfoIntrinsic>(*It)) ++It;
193
194       // Now that I is pointing to the first non-allocation-inst in the block,
195       // insert our getelementptr instruction...
196       //
197       Type *IdxTy = DL
198                   ? DL->getIntPtrType(AI.getType())
199                   : Type::getInt64Ty(AI.getContext());
200       Value *NullIdx = Constant::getNullValue(IdxTy);
201       Value *Idx[2] = { NullIdx, NullIdx };
202       Instruction *GEP =
203         GetElementPtrInst::CreateInBounds(New, Idx, New->getName() + ".sub");
204       InsertNewInstBefore(GEP, *It);
205
206       // Now make everything use the getelementptr instead of the original
207       // allocation.
208       return ReplaceInstUsesWith(AI, GEP);
209     } else if (isa<UndefValue>(AI.getArraySize())) {
210       return ReplaceInstUsesWith(AI, Constant::getNullValue(AI.getType()));
211     }
212   }
213
214   if (DL && AI.getAllocatedType()->isSized()) {
215     // If the alignment is 0 (unspecified), assign it the preferred alignment.
216     if (AI.getAlignment() == 0)
217       AI.setAlignment(DL->getPrefTypeAlignment(AI.getAllocatedType()));
218
219     // Move all alloca's of zero byte objects to the entry block and merge them
220     // together.  Note that we only do this for alloca's, because malloc should
221     // allocate and return a unique pointer, even for a zero byte allocation.
222     if (DL->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0) {
223       // For a zero sized alloca there is no point in doing an array allocation.
224       // This is helpful if the array size is a complicated expression not used
225       // elsewhere.
226       if (AI.isArrayAllocation()) {
227         AI.setOperand(0, ConstantInt::get(AI.getArraySize()->getType(), 1));
228         return &AI;
229       }
230
231       // Get the first instruction in the entry block.
232       BasicBlock &EntryBlock = AI.getParent()->getParent()->getEntryBlock();
233       Instruction *FirstInst = EntryBlock.getFirstNonPHIOrDbg();
234       if (FirstInst != &AI) {
235         // If the entry block doesn't start with a zero-size alloca then move
236         // this one to the start of the entry block.  There is no problem with
237         // dominance as the array size was forced to a constant earlier already.
238         AllocaInst *EntryAI = dyn_cast<AllocaInst>(FirstInst);
239         if (!EntryAI || !EntryAI->getAllocatedType()->isSized() ||
240             DL->getTypeAllocSize(EntryAI->getAllocatedType()) != 0) {
241           AI.moveBefore(FirstInst);
242           return &AI;
243         }
244
245         // If the alignment of the entry block alloca is 0 (unspecified),
246         // assign it the preferred alignment.
247         if (EntryAI->getAlignment() == 0)
248           EntryAI->setAlignment(
249             DL->getPrefTypeAlignment(EntryAI->getAllocatedType()));
250         // Replace this zero-sized alloca with the one at the start of the entry
251         // block after ensuring that the address will be aligned enough for both
252         // types.
253         unsigned MaxAlign = std::max(EntryAI->getAlignment(),
254                                      AI.getAlignment());
255         EntryAI->setAlignment(MaxAlign);
256         if (AI.getType() != EntryAI->getType())
257           return new BitCastInst(EntryAI, AI.getType());
258         return ReplaceInstUsesWith(AI, EntryAI);
259       }
260     }
261   }
262
263   if (AI.getAlignment()) {
264     // Check to see if this allocation is only modified by a memcpy/memmove from
265     // a constant global whose alignment is equal to or exceeds that of the
266     // allocation.  If this is the case, we can change all users to use
267     // the constant global instead.  This is commonly produced by the CFE by
268     // constructs like "void foo() { int A[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9...}; }" if 'A'
269     // is only subsequently read.
270     SmallVector<Instruction *, 4> ToDelete;
271     if (MemTransferInst *Copy = isOnlyCopiedFromConstantGlobal(&AI, ToDelete)) {
272       unsigned SourceAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
273           Copy->getSource(), AI.getAlignment(), DL, AC, &AI, DT);
274       if (AI.getAlignment() <= SourceAlign) {
275         DEBUG(dbgs() << "Found alloca equal to global: " << AI << '\n');
276         DEBUG(dbgs() << "  memcpy = " << *Copy << '\n');
277         for (unsigned i = 0, e = ToDelete.size(); i != e; ++i)
278           EraseInstFromFunction(*ToDelete[i]);
279         Constant *TheSrc = cast<Constant>(Copy->getSource());
280         Constant *Cast
281           = ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(TheSrc, AI.getType());
282         Instruction *NewI = ReplaceInstUsesWith(AI, Cast);
283         EraseInstFromFunction(*Copy);
284         ++NumGlobalCopies;
285         return NewI;
286       }
287     }
288   }
289
290   // At last, use the generic allocation site handler to aggressively remove
291   // unused allocas.
292   return visitAllocSite(AI);
293 }
294
295 /// \brief Helper to combine a load to a new type.
296 ///
297 /// This just does the work of combining a load to a new type. It handles
298 /// metadata, etc., and returns the new instruction. The \c NewTy should be the
299 /// loaded *value* type. This will convert it to a pointer, cast the operand to
300 /// that pointer type, load it, etc.
301 ///
302 /// Note that this will create all of the instructions with whatever insert
303 /// point the \c InstCombiner currently is using.
304 static LoadInst *combineLoadToNewType(InstCombiner &IC, LoadInst &LI, Type *NewTy) {
305   Value *Ptr = LI.getPointerOperand();
306   unsigned AS = LI.getPointerAddressSpace();
307   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 8> MD;
308   LI.getAllMetadata(MD);
309
310   LoadInst *NewLoad = IC.Builder->CreateAlignedLoad(
311       IC.Builder->CreateBitCast(Ptr, NewTy->getPointerTo(AS)),
312       LI.getAlignment(), LI.getName());
313   MDBuilder MDB(NewLoad->getContext());
314   for (const auto &MDPair : MD) {
315     unsigned ID = MDPair.first;
316     MDNode *N = MDPair.second;
317     // Note, essentially every kind of metadata should be preserved here! This
318     // routine is supposed to clone a load instruction changing *only its type*.
319     // The only metadata it makes sense to drop is metadata which is invalidated
320     // when the pointer type changes. This should essentially never be the case
321     // in LLVM, but we explicitly switch over only known metadata to be
322     // conservatively correct. If you are adding metadata to LLVM which pertains
323     // to loads, you almost certainly want to add it here.
324     switch (ID) {
325     case LLVMContext::MD_dbg:
326     case LLVMContext::MD_tbaa:
327     case LLVMContext::MD_prof:
328     case LLVMContext::MD_fpmath:
329     case LLVMContext::MD_tbaa_struct:
330     case LLVMContext::MD_invariant_load:
331     case LLVMContext::MD_alias_scope:
332     case LLVMContext::MD_noalias:
333     case LLVMContext::MD_nontemporal:
334     case LLVMContext::MD_mem_parallel_loop_access:
335       // All of these directly apply.
336       NewLoad->setMetadata(ID, N);
337       break;
338
339     case LLVMContext::MD_nonnull:
340       // This only directly applies if the new type is also a pointer.
341       if (NewTy->isPointerTy()) {
342         NewLoad->setMetadata(ID, N);
343         break;
344       }
345       // If it's integral now, translate it to !range metadata.
346       if (NewTy->isIntegerTy()) {
347         auto *ITy = cast<IntegerType>(NewTy);
348         auto *NullInt = ConstantExpr::getPtrToInt(
349             ConstantPointerNull::get(cast<PointerType>(Ptr->getType())), ITy);
350         auto *NonNullInt =
351             ConstantExpr::getAdd(NullInt, ConstantInt::get(ITy, 1));
352         NewLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_range,
353                              MDB.createRange(NonNullInt, NullInt));
354       }
355       break;
356
357     case LLVMContext::MD_range:
358       // FIXME: It would be nice to propagate this in some way, but the type
359       // conversions make it hard. If the new type is a pointer, we could
360       // translate it to !nonnull metadata.
361       break;
362     }
363   }
364   return NewLoad;
365 }
366
367 /// \brief Combine a store to a new type.
368 ///
369 /// Returns the newly created store instruction.
370 static StoreInst *combineStoreToNewValue(InstCombiner &IC, StoreInst &SI, Value *V) {
371   Value *Ptr = SI.getPointerOperand();
372   unsigned AS = SI.getPointerAddressSpace();
373   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 8> MD;
374   SI.getAllMetadata(MD);
375
376   StoreInst *NewStore = IC.Builder->CreateAlignedStore(
377       V, IC.Builder->CreateBitCast(Ptr, V->getType()->getPointerTo(AS)),
378       SI.getAlignment());
379   for (const auto &MDPair : MD) {
380     unsigned ID = MDPair.first;
381     MDNode *N = MDPair.second;
382     // Note, essentially every kind of metadata should be preserved here! This
383     // routine is supposed to clone a store instruction changing *only its
384     // type*. The only metadata it makes sense to drop is metadata which is
385     // invalidated when the pointer type changes. This should essentially
386     // never be the case in LLVM, but we explicitly switch over only known
387     // metadata to be conservatively correct. If you are adding metadata to
388     // LLVM which pertains to stores, you almost certainly want to add it
389     // here.
390     switch (ID) {
391     case LLVMContext::MD_dbg:
392     case LLVMContext::MD_tbaa:
393     case LLVMContext::MD_prof:
394     case LLVMContext::MD_fpmath:
395     case LLVMContext::MD_tbaa_struct:
396     case LLVMContext::MD_alias_scope:
397     case LLVMContext::MD_noalias:
398     case LLVMContext::MD_nontemporal:
399     case LLVMContext::MD_mem_parallel_loop_access:
400       // All of these directly apply.
401       NewStore->setMetadata(ID, N);
402       break;
403
404     case LLVMContext::MD_invariant_load:
405     case LLVMContext::MD_nonnull:
406     case LLVMContext::MD_range:
407       // These don't apply for stores.
408       break;
409     }
410   }
411
412   return NewStore;
413 }
414
415 /// \brief Combine loads to match the type of value their uses after looking
416 /// through intervening bitcasts.
417 ///
418 /// The core idea here is that if the result of a load is used in an operation,
419 /// we should load the type most conducive to that operation. For example, when
420 /// loading an integer and converting that immediately to a pointer, we should
421 /// instead directly load a pointer.
422 ///
423 /// However, this routine must never change the width of a load or the number of
424 /// loads as that would introduce a semantic change. This combine is expected to
425 /// be a semantic no-op which just allows loads to more closely model the types
426 /// of their consuming operations.
427 ///
428 /// Currently, we also refuse to change the precise type used for an atomic load
429 /// or a volatile load. This is debatable, and might be reasonable to change
430 /// later. However, it is risky in case some backend or other part of LLVM is
431 /// relying on the exact type loaded to select appropriate atomic operations.
432 static Instruction *combineLoadToOperationType(InstCombiner &IC, LoadInst &LI) {
433   // FIXME: We could probably with some care handle both volatile and atomic
434   // loads here but it isn't clear that this is important.
435   if (!LI.isSimple())
436     return nullptr;
437
438   if (LI.use_empty())
439     return nullptr;
440
441   Type *Ty = LI.getType();
442
443   // Try to canonicalize loads which are only ever stored to operate over
444   // integers instead of any other type. We only do this when the loaded type
445   // is sized and has a size exactly the same as its store size and the store
446   // size is a legal integer type.
447   const DataLayout *DL = IC.getDataLayout();
448   if (!Ty->isIntegerTy() && Ty->isSized() && DL &&
449       DL->isLegalInteger(DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty)) &&
450       DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty) == DL->getTypeSizeInBits(Ty)) {
451     if (std::all_of(LI.user_begin(), LI.user_end(), [&LI](User *U) {
452           auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(U);
453           return SI && SI->getPointerOperand() != &LI;
454         })) {
455       LoadInst *NewLoad = combineLoadToNewType(
456           IC, LI,
457           Type::getIntNTy(LI.getContext(), DL->getTypeStoreSizeInBits(Ty)));
458       // Replace all the stores with stores of the newly loaded value.
459       for (auto UI = LI.user_begin(), UE = LI.user_end(); UI != UE;) {
460         auto *SI = cast<StoreInst>(*UI++);
461         IC.Builder->SetInsertPoint(SI);
462         combineStoreToNewValue(IC, *SI, NewLoad);
463         IC.EraseInstFromFunction(*SI);
464       }
465       assert(LI.use_empty() && "Failed to remove all users of the load!");
466       // Return the old load so the combiner can delete it safely.
467       return &LI;
468     }
469   }
470
471   // Fold away bit casts of the loaded value by loading the desired type.
472   if (LI.hasOneUse())
473     if (auto *BC = dyn_cast<BitCastInst>(LI.user_back())) {
474       LoadInst *NewLoad = combineLoadToNewType(IC, LI, BC->getDestTy());
475       BC->replaceAllUsesWith(NewLoad);
476       IC.EraseInstFromFunction(*BC);
477       return &LI;
478     }
479
480   // FIXME: We should also canonicalize loads of vectors when their elements are
481   // cast to other types.
482   return nullptr;
483 }
484
485 // If we can determine that all possible objects pointed to by the provided
486 // pointer value are, not only dereferenceable, but also definitively less than
487 // or equal to the provided maximum size, then return true. Otherwise, return
488 // false (constant global values and allocas fall into this category).
489 //
490 // FIXME: This should probably live in ValueTracking (or similar).
491 static bool isObjectSizeLessThanOrEq(Value *V, uint64_t MaxSize,
492                                      const DataLayout *DL) {
493   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
494   SmallVector<Value *, 4> Worklist(1, V);
495
496   do {
497     Value *P = Worklist.pop_back_val();
498     P = P->stripPointerCasts();
499
500     if (!Visited.insert(P).second)
501       continue;
502
503     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(P)) {
504       Worklist.push_back(SI->getTrueValue());
505       Worklist.push_back(SI->getFalseValue());
506       continue;
507     }
508
509     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(P)) {
510       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
511         Worklist.push_back(PN->getIncomingValue(i));
512       continue;
513     }
514
515     if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(P)) {
516       if (GA->mayBeOverridden())
517         return false;
518       Worklist.push_back(GA->getAliasee());
519       continue;
520     }
521
522     // If we know how big this object is, and it is less than MaxSize, continue
523     // searching. Otherwise, return false.
524     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(P)) {
525       if (!AI->getAllocatedType()->isSized())
526         return false;
527
528       ConstantInt *CS = dyn_cast<ConstantInt>(AI->getArraySize());
529       if (!CS)
530         return false;
531
532       uint64_t TypeSize = DL->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType());
533       // Make sure that, even if the multiplication below would wrap as an
534       // uint64_t, we still do the right thing.
535       if ((CS->getValue().zextOrSelf(128)*APInt(128, TypeSize)).ugt(MaxSize))
536         return false;
537       continue;
538     }
539
540     if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(P)) {
541       if (!GV->hasDefinitiveInitializer() || !GV->isConstant())
542         return false;
543
544       uint64_t InitSize = DL->getTypeAllocSize(GV->getType()->getElementType());
545       if (InitSize > MaxSize)
546         return false;
547       continue;
548     }
549
550     return false;
551   } while (!Worklist.empty());
552
553   return true;
554 }
555
556 // If we're indexing into an object of a known size, and the outer index is
557 // not a constant, but having any value but zero would lead to undefined
558 // behavior, replace it with zero.
559 //
560 // For example, if we have:
561 // @f.a = private unnamed_addr constant [1 x i32] [i32 12], align 4
562 // ...
563 // %arrayidx = getelementptr inbounds [1 x i32]* @f.a, i64 0, i64 %x
564 // ... = load i32* %arrayidx, align 4
565 // Then we know that we can replace %x in the GEP with i64 0.
566 //
567 // FIXME: We could fold any GEP index to zero that would cause UB if it were
568 // not zero. Currently, we only handle the first such index. Also, we could
569 // also search through non-zero constant indices if we kept track of the
570 // offsets those indices implied.
571 static bool canReplaceGEPIdxWithZero(InstCombiner &IC, GetElementPtrInst *GEPI,
572                                      Instruction *MemI, unsigned &Idx) {
573   const DataLayout *DL = IC.getDataLayout();
574   if (GEPI->getNumOperands() < 2 || !DL)
575     return false;
576
577   // Find the first non-zero index of a GEP. If all indices are zero, return
578   // one past the last index.
579   auto FirstNZIdx = [](const GetElementPtrInst *GEPI) {
580     unsigned I = 1;
581     for (unsigned IE = GEPI->getNumOperands(); I != IE; ++I) {
582       Value *V = GEPI->getOperand(I);
583       if (const ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
584         if (CI->isZero())
585           continue;
586
587       break;
588     }
589
590     return I;
591   };
592
593   // Skip through initial 'zero' indices, and find the corresponding pointer
594   // type. See if the next index is not a constant.
595   Idx = FirstNZIdx(GEPI);
596   if (Idx == GEPI->getNumOperands())
597     return false;
598   if (isa<Constant>(GEPI->getOperand(Idx)))
599     return false;
600
601   SmallVector<Value *, 4> Ops(GEPI->idx_begin(), GEPI->idx_begin() + Idx);
602   Type *AllocTy =
603     GetElementPtrInst::getIndexedType(GEPI->getOperand(0)->getType(), Ops);
604   if (!AllocTy || !AllocTy->isSized())
605     return false;
606   uint64_t TyAllocSize = DL->getTypeAllocSize(AllocTy);
607
608   // If there are more indices after the one we might replace with a zero, make
609   // sure they're all non-negative. If any of them are negative, the overall
610   // address being computed might be before the base address determined by the
611   // first non-zero index.
612   auto IsAllNonNegative = [&]() {
613     for (unsigned i = Idx+1, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
614       bool KnownNonNegative, KnownNegative;
615       IC.ComputeSignBit(GEPI->getOperand(i), KnownNonNegative,
616                         KnownNegative, 0, MemI);
617       if (KnownNonNegative)
618         continue;
619       return false;
620     }
621
622     return true;
623   };
624
625   // FIXME: If the GEP is not inbounds, and there are extra indices after the
626   // one we'll replace, those could cause the address computation to wrap
627   // (rendering the IsAllNonNegative() check below insufficient). We can do
628   // better, ignoring zero indicies (and other indicies we can prove small
629   // enough not to wrap).
630   if (Idx+1 != GEPI->getNumOperands() && !GEPI->isInBounds())
631     return false;
632
633   // Note that isObjectSizeLessThanOrEq will return true only if the pointer is
634   // also known to be dereferenceable.
635   return isObjectSizeLessThanOrEq(GEPI->getOperand(0), TyAllocSize, DL) &&
636          IsAllNonNegative();
637 }
638
639 // If we're indexing into an object with a variable index for the memory
640 // access, but the object has only one element, we can assume that the index
641 // will always be zero. If we replace the GEP, return it.
642 template <typename T>
643 static Instruction *replaceGEPIdxWithZero(InstCombiner &IC, Value *Ptr,
644                                           T &MemI) {
645   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr)) {
646     unsigned Idx;
647     if (canReplaceGEPIdxWithZero(IC, GEPI, &MemI, Idx)) {
648       Instruction *NewGEPI = GEPI->clone();
649       NewGEPI->setOperand(Idx,
650         ConstantInt::get(GEPI->getOperand(Idx)->getType(), 0));
651       NewGEPI->insertBefore(GEPI);
652       MemI.setOperand(MemI.getPointerOperandIndex(), NewGEPI);
653       return NewGEPI;
654     }
655   }
656
657   return nullptr;
658 }
659
660 Instruction *InstCombiner::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
661   Value *Op = LI.getOperand(0);
662
663   // Try to canonicalize the loaded type.
664   if (Instruction *Res = combineLoadToOperationType(*this, LI))
665     return Res;
666
667   // Attempt to improve the alignment.
668   if (DL) {
669     unsigned KnownAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
670         Op, DL->getPrefTypeAlignment(LI.getType()), DL, AC, &LI, DT);
671     unsigned LoadAlign = LI.getAlignment();
672     unsigned EffectiveLoadAlign = LoadAlign != 0 ? LoadAlign :
673       DL->getABITypeAlignment(LI.getType());
674
675     if (KnownAlign > EffectiveLoadAlign)
676       LI.setAlignment(KnownAlign);
677     else if (LoadAlign == 0)
678       LI.setAlignment(EffectiveLoadAlign);
679   }
680
681   // Replace GEP indices if possible.
682   if (Instruction *NewGEPI = replaceGEPIdxWithZero(*this, Op, LI)) {
683       Worklist.Add(NewGEPI);
684       return &LI;
685   }
686
687   // None of the following transforms are legal for volatile/atomic loads.
688   // FIXME: Some of it is okay for atomic loads; needs refactoring.
689   if (!LI.isSimple()) return nullptr;
690
691   // Do really simple store-to-load forwarding and load CSE, to catch cases
692   // where there are several consecutive memory accesses to the same location,
693   // separated by a few arithmetic operations.
694   BasicBlock::iterator BBI = &LI;
695   if (Value *AvailableVal = FindAvailableLoadedValue(Op, LI.getParent(), BBI,6))
696     return ReplaceInstUsesWith(
697         LI, Builder->CreateBitOrPointerCast(AvailableVal, LI.getType(),
698                                             LI.getName() + ".cast"));
699
700   // load(gep null, ...) -> unreachable
701   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Op)) {
702     const Value *GEPI0 = GEPI->getOperand(0);
703     // TODO: Consider a target hook for valid address spaces for this xform.
704     if (isa<ConstantPointerNull>(GEPI0) && GEPI->getPointerAddressSpace() == 0){
705       // Insert a new store to null instruction before the load to indicate
706       // that this code is not reachable.  We do this instead of inserting
707       // an unreachable instruction directly because we cannot modify the
708       // CFG.
709       new StoreInst(UndefValue::get(LI.getType()),
710                     Constant::getNullValue(Op->getType()), &LI);
711       return ReplaceInstUsesWith(LI, UndefValue::get(LI.getType()));
712     }
713   }
714
715   // load null/undef -> unreachable
716   // TODO: Consider a target hook for valid address spaces for this xform.
717   if (isa<UndefValue>(Op) ||
718       (isa<ConstantPointerNull>(Op) && LI.getPointerAddressSpace() == 0)) {
719     // Insert a new store to null instruction before the load to indicate that
720     // this code is not reachable.  We do this instead of inserting an
721     // unreachable instruction directly because we cannot modify the CFG.
722     new StoreInst(UndefValue::get(LI.getType()),
723                   Constant::getNullValue(Op->getType()), &LI);
724     return ReplaceInstUsesWith(LI, UndefValue::get(LI.getType()));
725   }
726
727   if (Op->hasOneUse()) {
728     // Change select and PHI nodes to select values instead of addresses: this
729     // helps alias analysis out a lot, allows many others simplifications, and
730     // exposes redundancy in the code.
731     //
732     // Note that we cannot do the transformation unless we know that the
733     // introduced loads cannot trap!  Something like this is valid as long as
734     // the condition is always false: load (select bool %C, int* null, int* %G),
735     // but it would not be valid if we transformed it to load from null
736     // unconditionally.
737     //
738     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(Op)) {
739       // load (select (Cond, &V1, &V2))  --> select(Cond, load &V1, load &V2).
740       unsigned Align = LI.getAlignment();
741       if (isSafeToLoadUnconditionally(SI->getOperand(1), SI, Align, DL) &&
742           isSafeToLoadUnconditionally(SI->getOperand(2), SI, Align, DL)) {
743         LoadInst *V1 = Builder->CreateLoad(SI->getOperand(1),
744                                            SI->getOperand(1)->getName()+".val");
745         LoadInst *V2 = Builder->CreateLoad(SI->getOperand(2),
746                                            SI->getOperand(2)->getName()+".val");
747         V1->setAlignment(Align);
748         V2->setAlignment(Align);
749         return SelectInst::Create(SI->getCondition(), V1, V2);
750       }
751
752       // load (select (cond, null, P)) -> load P
753       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(1)) && 
754           LI.getPointerAddressSpace() == 0) {
755         LI.setOperand(0, SI->getOperand(2));
756         return &LI;
757       }
758
759       // load (select (cond, P, null)) -> load P
760       if (isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(2)) &&
761           LI.getPointerAddressSpace() == 0) {
762         LI.setOperand(0, SI->getOperand(1));
763         return &LI;
764       }
765     }
766   }
767   return nullptr;
768 }
769
770 /// \brief Combine stores to match the type of value being stored.
771 ///
772 /// The core idea here is that the memory does not have any intrinsic type and
773 /// where we can we should match the type of a store to the type of value being
774 /// stored.
775 ///
776 /// However, this routine must never change the width of a store or the number of
777 /// stores as that would introduce a semantic change. This combine is expected to
778 /// be a semantic no-op which just allows stores to more closely model the types
779 /// of their incoming values.
780 ///
781 /// Currently, we also refuse to change the precise type used for an atomic or
782 /// volatile store. This is debatable, and might be reasonable to change later.
783 /// However, it is risky in case some backend or other part of LLVM is relying
784 /// on the exact type stored to select appropriate atomic operations.
785 ///
786 /// \returns true if the store was successfully combined away. This indicates
787 /// the caller must erase the store instruction. We have to let the caller erase
788 /// the store instruction sas otherwise there is no way to signal whether it was
789 /// combined or not: IC.EraseInstFromFunction returns a null pointer.
790 static bool combineStoreToValueType(InstCombiner &IC, StoreInst &SI) {
791   // FIXME: We could probably with some care handle both volatile and atomic
792   // stores here but it isn't clear that this is important.
793   if (!SI.isSimple())
794     return false;
795
796   Value *V = SI.getValueOperand();
797
798   // Fold away bit casts of the stored value by storing the original type.
799   if (auto *BC = dyn_cast<BitCastInst>(V)) {
800     V = BC->getOperand(0);
801     combineStoreToNewValue(IC, SI, V);
802     return true;
803   }
804
805   // FIXME: We should also canonicalize loads of vectors when their elements are
806   // cast to other types.
807   return false;
808 }
809
810 /// equivalentAddressValues - Test if A and B will obviously have the same
811 /// value. This includes recognizing that %t0 and %t1 will have the same
812 /// value in code like this:
813 ///   %t0 = getelementptr \@a, 0, 3
814 ///   store i32 0, i32* %t0
815 ///   %t1 = getelementptr \@a, 0, 3
816 ///   %t2 = load i32* %t1
817 ///
818 static bool equivalentAddressValues(Value *A, Value *B) {
819   // Test if the values are trivially equivalent.
820   if (A == B) return true;
821
822   // Test if the values come form identical arithmetic instructions.
823   // This uses isIdenticalToWhenDefined instead of isIdenticalTo because
824   // its only used to compare two uses within the same basic block, which
825   // means that they'll always either have the same value or one of them
826   // will have an undefined value.
827   if (isa<BinaryOperator>(A) ||
828       isa<CastInst>(A) ||
829       isa<PHINode>(A) ||
830       isa<GetElementPtrInst>(A))
831     if (Instruction *BI = dyn_cast<Instruction>(B))
832       if (cast<Instruction>(A)->isIdenticalToWhenDefined(BI))
833         return true;
834
835   // Otherwise they may not be equivalent.
836   return false;
837 }
838
839 Instruction *InstCombiner::visitStoreInst(StoreInst &SI) {
840   Value *Val = SI.getOperand(0);
841   Value *Ptr = SI.getOperand(1);
842
843   // Try to canonicalize the stored type.
844   if (combineStoreToValueType(*this, SI))
845     return EraseInstFromFunction(SI);
846
847   // Attempt to improve the alignment.
848   if (DL) {
849     unsigned KnownAlign = getOrEnforceKnownAlignment(
850         Ptr, DL->getPrefTypeAlignment(Val->getType()), DL, AC, &SI, DT);
851     unsigned StoreAlign = SI.getAlignment();
852     unsigned EffectiveStoreAlign = StoreAlign != 0 ? StoreAlign :
853       DL->getABITypeAlignment(Val->getType());
854
855     if (KnownAlign > EffectiveStoreAlign)
856       SI.setAlignment(KnownAlign);
857     else if (StoreAlign == 0)
858       SI.setAlignment(EffectiveStoreAlign);
859   }
860
861   // Replace GEP indices if possible.
862   if (Instruction *NewGEPI = replaceGEPIdxWithZero(*this, Ptr, SI)) {
863       Worklist.Add(NewGEPI);
864       return &SI;
865   }
866
867   // Don't hack volatile/atomic stores.
868   // FIXME: Some bits are legal for atomic stores; needs refactoring.
869   if (!SI.isSimple()) return nullptr;
870
871   // If the RHS is an alloca with a single use, zapify the store, making the
872   // alloca dead.
873   if (Ptr->hasOneUse()) {
874     if (isa<AllocaInst>(Ptr))
875       return EraseInstFromFunction(SI);
876     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr)) {
877       if (isa<AllocaInst>(GEP->getOperand(0))) {
878         if (GEP->getOperand(0)->hasOneUse())
879           return EraseInstFromFunction(SI);
880       }
881     }
882   }
883
884   // Do really simple DSE, to catch cases where there are several consecutive
885   // stores to the same location, separated by a few arithmetic operations. This
886   // situation often occurs with bitfield accesses.
887   BasicBlock::iterator BBI = &SI;
888   for (unsigned ScanInsts = 6; BBI != SI.getParent()->begin() && ScanInsts;
889        --ScanInsts) {
890     --BBI;
891     // Don't count debug info directives, lest they affect codegen,
892     // and we skip pointer-to-pointer bitcasts, which are NOPs.
893     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
894         (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy())) {
895       ScanInsts++;
896       continue;
897     }
898
899     if (StoreInst *PrevSI = dyn_cast<StoreInst>(BBI)) {
900       // Prev store isn't volatile, and stores to the same location?
901       if (PrevSI->isSimple() && equivalentAddressValues(PrevSI->getOperand(1),
902                                                         SI.getOperand(1))) {
903         ++NumDeadStore;
904         ++BBI;
905         EraseInstFromFunction(*PrevSI);
906         continue;
907       }
908       break;
909     }
910
911     // If this is a load, we have to stop.  However, if the loaded value is from
912     // the pointer we're loading and is producing the pointer we're storing,
913     // then *this* store is dead (X = load P; store X -> P).
914     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(BBI)) {
915       if (LI == Val && equivalentAddressValues(LI->getOperand(0), Ptr) &&
916           LI->isSimple())
917         return EraseInstFromFunction(SI);
918
919       // Otherwise, this is a load from some other location.  Stores before it
920       // may not be dead.
921       break;
922     }
923
924     // Don't skip over loads or things that can modify memory.
925     if (BBI->mayWriteToMemory() || BBI->mayReadFromMemory())
926       break;
927   }
928
929   // store X, null    -> turns into 'unreachable' in SimplifyCFG
930   if (isa<ConstantPointerNull>(Ptr) && SI.getPointerAddressSpace() == 0) {
931     if (!isa<UndefValue>(Val)) {
932       SI.setOperand(0, UndefValue::get(Val->getType()));
933       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(Val))
934         Worklist.Add(U);  // Dropped a use.
935     }
936     return nullptr;  // Do not modify these!
937   }
938
939   // store undef, Ptr -> noop
940   if (isa<UndefValue>(Val))
941     return EraseInstFromFunction(SI);
942
943   // If this store is the last instruction in the basic block (possibly
944   // excepting debug info instructions), and if the block ends with an
945   // unconditional branch, try to move it to the successor block.
946   BBI = &SI;
947   do {
948     ++BBI;
949   } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
950            (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy()));
951   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(BBI))
952     if (BI->isUnconditional())
953       if (SimplifyStoreAtEndOfBlock(SI))
954         return nullptr;  // xform done!
955
956   return nullptr;
957 }
958
959 /// SimplifyStoreAtEndOfBlock - Turn things like:
960 ///   if () { *P = v1; } else { *P = v2 }
961 /// into a phi node with a store in the successor.
962 ///
963 /// Simplify things like:
964 ///   *P = v1; if () { *P = v2; }
965 /// into a phi node with a store in the successor.
966 ///
967 bool InstCombiner::SimplifyStoreAtEndOfBlock(StoreInst &SI) {
968   BasicBlock *StoreBB = SI.getParent();
969
970   // Check to see if the successor block has exactly two incoming edges.  If
971   // so, see if the other predecessor contains a store to the same location.
972   // if so, insert a PHI node (if needed) and move the stores down.
973   BasicBlock *DestBB = StoreBB->getTerminator()->getSuccessor(0);
974
975   // Determine whether Dest has exactly two predecessors and, if so, compute
976   // the other predecessor.
977   pred_iterator PI = pred_begin(DestBB);
978   BasicBlock *P = *PI;
979   BasicBlock *OtherBB = nullptr;
980
981   if (P != StoreBB)
982     OtherBB = P;
983
984   if (++PI == pred_end(DestBB))
985     return false;
986
987   P = *PI;
988   if (P != StoreBB) {
989     if (OtherBB)
990       return false;
991     OtherBB = P;
992   }
993   if (++PI != pred_end(DestBB))
994     return false;
995
996   // Bail out if all the relevant blocks aren't distinct (this can happen,
997   // for example, if SI is in an infinite loop)
998   if (StoreBB == DestBB || OtherBB == DestBB)
999     return false;
1000
1001   // Verify that the other block ends in a branch and is not otherwise empty.
1002   BasicBlock::iterator BBI = OtherBB->getTerminator();
1003   BranchInst *OtherBr = dyn_cast<BranchInst>(BBI);
1004   if (!OtherBr || BBI == OtherBB->begin())
1005     return false;
1006
1007   // If the other block ends in an unconditional branch, check for the 'if then
1008   // else' case.  there is an instruction before the branch.
1009   StoreInst *OtherStore = nullptr;
1010   if (OtherBr->isUnconditional()) {
1011     --BBI;
1012     // Skip over debugging info.
1013     while (isa<DbgInfoIntrinsic>(BBI) ||
1014            (isa<BitCastInst>(BBI) && BBI->getType()->isPointerTy())) {
1015       if (BBI==OtherBB->begin())
1016         return false;
1017       --BBI;
1018     }
1019     // If this isn't a store, isn't a store to the same location, or is not the
1020     // right kind of store, bail out.
1021     OtherStore = dyn_cast<StoreInst>(BBI);
1022     if (!OtherStore || OtherStore->getOperand(1) != SI.getOperand(1) ||
1023         !SI.isSameOperationAs(OtherStore))
1024       return false;
1025   } else {
1026     // Otherwise, the other block ended with a conditional branch. If one of the
1027     // destinations is StoreBB, then we have the if/then case.
1028     if (OtherBr->getSuccessor(0) != StoreBB &&
1029         OtherBr->getSuccessor(1) != StoreBB)
1030       return false;
1031
1032     // Okay, we know that OtherBr now goes to Dest and StoreBB, so this is an
1033     // if/then triangle.  See if there is a store to the same ptr as SI that
1034     // lives in OtherBB.
1035     for (;; --BBI) {
1036       // Check to see if we find the matching store.
1037       if ((OtherStore = dyn_cast<StoreInst>(BBI))) {
1038         if (OtherStore->getOperand(1) != SI.getOperand(1) ||
1039             !SI.isSameOperationAs(OtherStore))
1040           return false;
1041         break;
1042       }
1043       // If we find something that may be using or overwriting the stored
1044       // value, or if we run out of instructions, we can't do the xform.
1045       if (BBI->mayReadFromMemory() || BBI->mayWriteToMemory() ||
1046           BBI == OtherBB->begin())
1047         return false;
1048     }
1049
1050     // In order to eliminate the store in OtherBr, we have to
1051     // make sure nothing reads or overwrites the stored value in
1052     // StoreBB.
1053     for (BasicBlock::iterator I = StoreBB->begin(); &*I != &SI; ++I) {
1054       // FIXME: This should really be AA driven.
1055       if (I->mayReadFromMemory() || I->mayWriteToMemory())
1056         return false;
1057     }
1058   }
1059
1060   // Insert a PHI node now if we need it.
1061   Value *MergedVal = OtherStore->getOperand(0);
1062   if (MergedVal != SI.getOperand(0)) {
1063     PHINode *PN = PHINode::Create(MergedVal->getType(), 2, "storemerge");
1064     PN->addIncoming(SI.getOperand(0), SI.getParent());
1065     PN->addIncoming(OtherStore->getOperand(0), OtherBB);
1066     MergedVal = InsertNewInstBefore(PN, DestBB->front());
1067   }
1068
1069   // Advance to a place where it is safe to insert the new store and
1070   // insert it.
1071   BBI = DestBB->getFirstInsertionPt();
1072   StoreInst *NewSI = new StoreInst(MergedVal, SI.getOperand(1),
1073                                    SI.isVolatile(),
1074                                    SI.getAlignment(),
1075                                    SI.getOrdering(),
1076                                    SI.getSynchScope());
1077   InsertNewInstBefore(NewSI, *BBI);
1078   NewSI->setDebugLoc(OtherStore->getDebugLoc());
1079
1080   // If the two stores had AA tags, merge them.
1081   AAMDNodes AATags;
1082   SI.getAAMetadata(AATags);
1083   if (AATags) {
1084     OtherStore->getAAMetadata(AATags, /* Merge = */ true);
1085     NewSI->setAAMetadata(AATags);
1086   }
1087
1088   // Nuke the old stores.
1089   EraseInstFromFunction(SI);
1090   EraseInstFromFunction(*OtherStore);
1091   return true;
1092 }