lib/Transforms/Scalar/EarlyCSE.cpp

   1 //===- EarlyCSE.cpp - Simple and fast CSE pass ----------------------------===//
   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 performs a simple dominator tree walk that eliminates trivially
  11 // redundant instructions.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "early-cse"
  16 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  17 #include "llvm/Instructions.h"
  18 #include "llvm/Pass.h"
  19 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  20 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  21 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  22 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  23 #include "llvm/Support/Debug.h"
  24 #include "llvm/Support/RecyclingAllocator.h"
  25 #include "llvm/ADT/ScopedHashTable.h"
  26 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  27 using namespace llvm;
  28
  29 STATISTIC(NumSimplify, "Number of instructions simplified or DCE'd");
  30 STATISTIC(NumCSE,      "Number of instructions CSE'd");
  31 STATISTIC(NumCSELoad,  "Number of load instructions CSE'd");
  32 STATISTIC(NumCSECall,  "Number of call instructions CSE'd");
  33
  34 static unsigned getHash(const void *V) {
  35   return DenseMapInfo<const void*>::getHashValue(V);
  36 }
  37
  38 //===----------------------------------------------------------------------===//
  39 // SimpleValue
  40 //===----------------------------------------------------------------------===//
  41
  42 namespace {
  43   /// SimpleValue - Instances of this struct represent available values in the
  44   /// scoped hash table.
  45   struct SimpleValue {
  46     Instruction *Inst;
  47
  48     SimpleValue(Instruction *I) : Inst(I) {
  49       assert((isSentinel() || canHandle(I)) && "Inst can't be handled!");
  50     }
  51
  52     bool isSentinel() const {
  53       return Inst == DenseMapInfo<Instruction*>::getEmptyKey() ||
  54              Inst == DenseMapInfo<Instruction*>::getTombstoneKey();
  55     }
  56
  57     static bool canHandle(Instruction *Inst) {
  58       return isa<CastInst>(Inst) || isa<BinaryOperator>(Inst) ||
  59              isa<GetElementPtrInst>(Inst) || isa<CmpInst>(Inst) ||
  60              isa<SelectInst>(Inst) || isa<ExtractElementInst>(Inst) ||
  61              isa<InsertElementInst>(Inst) || isa<ShuffleVectorInst>(Inst) ||
  62              isa<ExtractValueInst>(Inst) || isa<InsertValueInst>(Inst);
  63     }
  64   };
  65 }
  66
  67 namespace llvm {
  68 // SimpleValue is POD.
  69 template<> struct isPodLike<SimpleValue> {
  70   static const bool value = true;
  71 };
  72
  73 template<> struct DenseMapInfo<SimpleValue> {
  74   static inline SimpleValue getEmptyKey() {
  75     return DenseMapInfo<Instruction*>::getEmptyKey();
  76   }
  77   static inline SimpleValue getTombstoneKey() {
  78     return DenseMapInfo<Instruction*>::getTombstoneKey();
  79   }
  80   static unsigned getHashValue(SimpleValue Val);
  81   static bool isEqual(SimpleValue LHS, SimpleValue RHS);
  82 };
  83 }
  84
  85 unsigned DenseMapInfo<SimpleValue>::getHashValue(SimpleValue Val) {
  86   Instruction *Inst = Val.Inst;
  87
  88   // Hash in all of the operands as pointers.
  89   unsigned Res = 0;
  90   for (unsigned i = 0, e = Inst->getNumOperands(); i != e; ++i)
  91     Res ^= getHash(Inst->getOperand(i)) << i;
  92
  93   if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Inst))
  94     Res ^= getHash(CI->getType());
  95   else if (CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(Inst))
  96     Res ^= CI->getPredicate();
  97   else if (const ExtractValueInst *EVI = dyn_cast<ExtractValueInst>(Inst)) {
  98     for (ExtractValueInst::idx_iterator I = EVI->idx_begin(),
  99          E = EVI->idx_end(); I != E; ++I)
 100       Res ^= *I;
 101   } else if (const InsertValueInst *IVI = dyn_cast<InsertValueInst>(Inst)) {
 102     for (InsertValueInst::idx_iterator I = IVI->idx_begin(),
 103          E = IVI->idx_end(); I != E; ++I)
 104       Res ^= *I;
 105   } else {
 106     // nothing extra to hash in.
 107     assert((isa<BinaryOperator>(Inst) || isa<GetElementPtrInst>(Inst) ||
 108             isa<SelectInst>(Inst) || isa<ExtractElementInst>(Inst) ||
 109             isa<InsertElementInst>(Inst) || isa<ShuffleVectorInst>(Inst)) &&
 110            "Invalid/unknown instruction");
 111   }
 112
 113   // Mix in the opcode.
 114   return (Res << 1) ^ Inst->getOpcode();
 115 }
 116
 117 bool DenseMapInfo<SimpleValue>::isEqual(SimpleValue LHS, SimpleValue RHS) {
 118   Instruction *LHSI = LHS.Inst, *RHSI = RHS.Inst;
 119
 120   if (LHS.isSentinel() || RHS.isSentinel())
 121     return LHSI == RHSI;
 122
 123   if (LHSI->getOpcode() != RHSI->getOpcode()) return false;
 124   return LHSI->isIdenticalTo(RHSI);
 125 }
 126
 127 //===----------------------------------------------------------------------===//
 128 // CallValue
 129 //===----------------------------------------------------------------------===//
 130
 131 namespace {
 132   /// CallValue - Instances of this struct represent available call values in
 133   /// the scoped hash table.
 134   struct CallValue {
 135     Instruction *Inst;
 136
 137     CallValue(Instruction *I) : Inst(I) {
 138       assert((isSentinel() || canHandle(I)) && "Inst can't be handled!");
 139     }
 140
 141     bool isSentinel() const {
 142       return Inst == DenseMapInfo<Instruction*>::getEmptyKey() ||
 143              Inst == DenseMapInfo<Instruction*>::getTombstoneKey();
 144     }
 145
 146     static bool canHandle(Instruction *Inst) {
 147       if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(Inst))
 148         return CI->onlyReadsMemory();
 149       return false;
 150     }
 151   };
 152 }
 153
 154 namespace llvm {
 155   // CallValue is POD.
 156   template<> struct isPodLike<CallValue> {
 157     static const bool value = true;
 158   };
 159
 160   template<> struct DenseMapInfo<CallValue> {
 161     static inline CallValue getEmptyKey() {
 162       return DenseMapInfo<Instruction*>::getEmptyKey();
 163     }
 164     static inline CallValue getTombstoneKey() {
 165       return DenseMapInfo<Instruction*>::getTombstoneKey();
 166     }
 167     static unsigned getHashValue(CallValue Val);
 168     static bool isEqual(CallValue LHS, CallValue RHS);
 169   };
 170 }
 171 unsigned DenseMapInfo<CallValue>::getHashValue(CallValue Val) {
 172   Instruction *Inst = Val.Inst;
 173   // Hash in all of the operands as pointers.
 174   unsigned Res = 0;
 175   for (unsigned i = 0, e = Inst->getNumOperands(); i != e; ++i)
 176     Res ^= getHash(Inst->getOperand(i)) << i;
 177   // Mix in the opcode.
 178   return (Res << 1) ^ Inst->getOpcode();
 179 }
 180
 181 bool DenseMapInfo<CallValue>::isEqual(CallValue LHS, CallValue RHS) {
 182   Instruction *LHSI = LHS.Inst, *RHSI = RHS.Inst;
 183   if (LHS.isSentinel() || RHS.isSentinel())
 184     return LHSI == RHSI;
 185   return LHSI->isIdenticalTo(RHSI);
 186 }
 187
 188
 189 //===----------------------------------------------------------------------===//
 190 // EarlyCSE pass.
 191 //===----------------------------------------------------------------------===//
 192
 193 namespace {
 194
 195 /// EarlyCSE - This pass does a simple depth-first walk over the dominator
 196 /// tree, eliminating trivially redundant instructions and using instsimplify
 197 /// to canonicalize things as it goes.  It is intended to be fast and catch
 198 /// obvious cases so that instcombine and other passes are more effective.  It
 199 /// is expected that a later pass of GVN will catch the interesting/hard
 200 /// cases.
 201 class EarlyCSE : public FunctionPass {
 202 public:
 203   const TargetData *TD;
 204   DominatorTree *DT;
 205   typedef RecyclingAllocator<BumpPtrAllocator,
 206                       ScopedHashTableVal<SimpleValue, Value*> > AllocatorTy;
 207   typedef ScopedHashTable<SimpleValue, Value*, DenseMapInfo<SimpleValue>,
 208                           AllocatorTy> ScopedHTType;
 209
 210   /// AvailableValues - This scoped hash table contains the current values of
 211   /// all of our simple scalar expressions.  As we walk down the domtree, we
 212   /// look to see if instructions are in this: if so, we replace them with what
 213   /// we find, otherwise we insert them so that dominated values can succeed in
 214   /// their lookup.
 215   ScopedHTType *AvailableValues;
 216
 217   /// AvailableLoads - This scoped hash table contains the current values
 218   /// of loads.  This allows us to get efficient access to dominating loads when
 219   /// we have a fully redundant load.  In addition to the most recent load, we
 220   /// keep track of a generation count of the read, which is compared against
 221   /// the current generation count.  The current generation count is
 222   /// incremented after every possibly writing memory operation, which ensures
 223   /// that we only CSE loads with other loads that have no intervening store.
 224   typedef RecyclingAllocator<BumpPtrAllocator,
 225     ScopedHashTableVal<Value*, std::pair<Value*, unsigned> > > LoadMapAllocator;
 226   typedef ScopedHashTable<Value*, std::pair<Value*, unsigned>,
 227                           DenseMapInfo<Value*>, LoadMapAllocator> LoadHTType;
 228   LoadHTType *AvailableLoads;
 229
 230   /// AvailableCalls - This scoped hash table contains the current values
 231   /// of read-only call values.  It uses the same generation count as loads.
 232   typedef ScopedHashTable<CallValue, std::pair<Value*, unsigned> > CallHTType;
 233   CallHTType *AvailableCalls;
 234
 235   /// CurrentGeneration - This is the current generation of the memory value.
 236   unsigned CurrentGeneration;
 237
 238   static char ID;
 239   explicit EarlyCSE() : FunctionPass(ID) {
 240     initializeEarlyCSEPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 241   }
 242
 243   bool runOnFunction(Function &F);
 244
 245 private:
 246
 247   bool processNode(DomTreeNode *Node);
 248
 249   // This transformation requires dominator postdominator info
 250   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 251     AU.addRequired<DominatorTree>();
 252     AU.setPreservesCFG();
 253   }
 254 };
 255 }
 256
 257 char EarlyCSE::ID = 0;
 258
 259 // createEarlyCSEPass - The public interface to this file.
 260 FunctionPass *llvm::createEarlyCSEPass() {
 261   return new EarlyCSE();
 262 }
 263
 264 INITIALIZE_PASS_BEGIN(EarlyCSE, "early-cse", "Early CSE", false, false)
 265 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
 266 INITIALIZE_PASS_END(EarlyCSE, "early-cse", "Early CSE", false, false)
 267
 268 bool EarlyCSE::processNode(DomTreeNode *Node) {
 269   // Define a scope in the scoped hash table.  When we are done processing this
 270   // domtree node and recurse back up to our parent domtree node, this will pop
 271   // off all the values we install.
 272   ScopedHTType::ScopeTy Scope(*AvailableValues);
 273
 274   // Define a scope for the load values so that anything we add will get
 275   // popped when we recurse back up to our parent domtree node.
 276   LoadHTType::ScopeTy LoadScope(*AvailableLoads);
 277
 278   // Define a scope for the call values so that anything we add will get
 279   // popped when we recurse back up to our parent domtree node.
 280   CallHTType::ScopeTy CallScope(*AvailableCalls);
 281
 282   BasicBlock *BB = Node->getBlock();
 283
 284   // If this block has a single predecessor, then the predecessor is the parent
 285   // of the domtree node and all of the live out memory values are still current
 286   // in this block.  If this block has multiple predecessors, then they could
 287   // have invalidated the live-out memory values of our parent value.  For now,
 288   // just be conservative and invalidate memory if this block has multiple
 289   // predecessors.
 290   if (BB->getSinglePredecessor() == 0)
 291     ++CurrentGeneration;
 292
 293   bool Changed = false;
 294
 295   // See if any instructions in the block can be eliminated.  If so, do it.  If
 296   // not, add them to AvailableValues.
 297   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
 298     Instruction *Inst = I++;
 299
 300     // Dead instructions should just be removed.
 301     if (isInstructionTriviallyDead(Inst)) {
 302       DEBUG(dbgs() << "EarlyCSE DCE: " << *Inst << '\n');
 303       Inst->eraseFromParent();
 304       Changed = true;
 305       ++NumSimplify;
 306       continue;
 307     }
 308
 309     // If the instruction can be simplified (e.g. X+0 = X) then replace it with
 310     // its simpler value.
 311     if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst, TD, DT)) {
 312       DEBUG(dbgs() << "EarlyCSE Simplify: " << *Inst << "  to: " << *V << '\n');
 313       Inst->replaceAllUsesWith(V);
 314       Inst->eraseFromParent();
 315       Changed = true;
 316       ++NumSimplify;
 317       continue;
 318     }
 319
 320     // If this is a simple instruction that we can value number, process it.
 321     if (SimpleValue::canHandle(Inst)) {
 322       // See if the instruction has an available value.  If so, use it.
 323       if (Value *V = AvailableValues->lookup(Inst)) {
 324         DEBUG(dbgs() << "EarlyCSE CSE: " << *Inst << "  to: " << *V << '\n');
 325         Inst->replaceAllUsesWith(V);
 326         Inst->eraseFromParent();
 327         Changed = true;
 328         ++NumCSE;
 329         continue;
 330       }
 331
 332       // Otherwise, just remember that this value is available.
 333       AvailableValues->insert(Inst, Inst);
 334       continue;
 335     }
 336
 337     // If this is a non-volatile load, process it.
 338     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
 339       // Ignore volatile loads.
 340       if (LI->isVolatile()) continue;
 341
 342       // If we have an available version of this load, and if it is the right
 343       // generation, replace this instruction.
 344       std::pair<Value*, unsigned> InVal =
 345         AvailableLoads->lookup(Inst->getOperand(0));
 346       if (InVal.first != 0 && InVal.second == CurrentGeneration) {
 347         DEBUG(dbgs() << "EarlyCSE CSE LOAD: " << *Inst << "  to: "
 348               << *InVal.first << '\n');
 349         if (!Inst->use_empty()) Inst->replaceAllUsesWith(InVal.first);
 350         Inst->eraseFromParent();
 351         Changed = true;
 352         ++NumCSELoad;
 353         continue;
 354       }
 355
 356       // Otherwise, remember that we have this instruction.
 357       AvailableLoads->insert(Inst->getOperand(0),
 358                           std::pair<Value*, unsigned>(Inst, CurrentGeneration));
 359       continue;
 360     }
 361
 362     // If this is a read-only call, process it.
 363     if (CallValue::canHandle(Inst)) {
 364       // If we have an available version of this call, and if it is the right
 365       // generation, replace this instruction.
 366       std::pair<Value*, unsigned> InVal = AvailableCalls->lookup(Inst);
 367       if (InVal.first != 0 && InVal.second == CurrentGeneration) {
 368         DEBUG(dbgs() << "EarlyCSE CSE CALL: " << *Inst << "  to: "
 369                      << *InVal.first << '\n');
 370         if (!Inst->use_empty()) Inst->replaceAllUsesWith(InVal.first);
 371         Inst->eraseFromParent();
 372         Changed = true;
 373         ++NumCSECall;
 374         continue;
 375       }
 376
 377       // Otherwise, remember that we have this instruction.
 378       AvailableCalls->insert(Inst,
 379                          std::pair<Value*, unsigned>(Inst, CurrentGeneration));
 380       continue;
 381     }
 382
 383     // Okay, this isn't something we can CSE at all.  Check to see if it is
 384     // something that could modify memory.  If so, our available memory values
 385     // cannot be used so bump the generation count.
 386     if (Inst->mayWriteToMemory()) {
 387       ++CurrentGeneration;
 388
 389       // Okay, we just invalidated anything we knew about loaded values.  Try to
 390       // salvage *something* by remembering that the stored value is a live
 391       // version of the pointer.  It is safe to forward from volatile stores to
 392       // non-volatile loads, so we don't have to check for volatility of the
 393       // store.
 394       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
 395         AvailableLoads->insert(SI->getPointerOperand(),
 396          std::pair<Value*, unsigned>(SI->getValueOperand(), CurrentGeneration));
 397       }
 398     }
 399   }
 400
 401   unsigned LiveOutGeneration = CurrentGeneration;
 402   for (DomTreeNode::iterator I = Node->begin(), E = Node->end(); I != E; ++I) {
 403     Changed |= processNode(*I);
 404     // Pop any generation changes off the stack from the recursive walk.
 405     CurrentGeneration = LiveOutGeneration;
 406   }
 407   return Changed;
 408 }
 409
 410
 411 bool EarlyCSE::runOnFunction(Function &F) {
 412   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
 413   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
 414
 415   // Tables that the pass uses when walking the domtree.
 416   ScopedHTType AVTable;
 417   AvailableValues = &AVTable;
 418   LoadHTType LoadTable;
 419   AvailableLoads = &LoadTable;
 420   CallHTType CallTable;
 421   AvailableCalls = &CallTable;
 422
 423   CurrentGeneration = 0;
 424   return processNode(DT->getRootNode());
 425 }