- Cleaned up the interface to AnalysisUsage to take analysis class names
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / GCSE.cpp
1 //===-- GCSE.cpp - SSA based Global Common Subexpr Elimination ------------===//
2 //
3 // This pass is designed to be a very quick global transformation that
4 // eliminates global common subexpressions from a function.  It does this by
5 // examining the SSA value graph of the function, instead of doing slow, dense,
6 // bit-vector computations.
7 //
8 // This pass works best if it is proceeded with a simple constant propogation
9 // pass and an instruction combination pass because this pass does not do any
10 // value numbering (in order to be speedy).
11 //
12 // This pass does not attempt to CSE load instructions, because it does not use
13 // pointer analysis to determine when it is safe.
14 //
15 //===----------------------------------------------------------------------===//
16
17 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
18 #include "llvm/InstrTypes.h"
19 #include "llvm/iMemory.h"
20 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
21 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
22 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
23 #include "llvm/Support/CFG.h"
24 #include "Support/StatisticReporter.h"
25 #include <algorithm>
26 using std::set;
27 using std::map;
28
29
30 static Statistic<> NumInstRemoved("gcse\t\t- Number of instructions removed");
31 static Statistic<> NumLoadRemoved("gcse\t\t- Number of loads removed");
32
33 namespace {
34   class GCSE : public FunctionPass, public InstVisitor<GCSE, bool> {
35     set<Instruction*>       WorkList;
36     DominatorSet           *DomSetInfo;
37     ImmediateDominators    *ImmDominator;
38
39     // BBContainsStore - Contains a value that indicates whether a basic block
40     // has a store or call instruction in it.  This map is demand populated, so
41     // not having an entry means that the basic block has not been scanned yet.
42     //
43     map<BasicBlock*, bool>  BBContainsStore;
44   public:
45     virtual bool runOnFunction(Function &F);
46
47     // Visitation methods, these are invoked depending on the type of
48     // instruction being checked.  They should return true if a common
49     // subexpression was folded.
50     //
51     bool visitUnaryOperator(Instruction &I);
52     bool visitBinaryOperator(Instruction &I);
53     bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &I);
54     bool visitCastInst(CastInst &I){return visitUnaryOperator((Instruction&)I);}
55     bool visitShiftInst(ShiftInst &I) {
56       return visitBinaryOperator((Instruction&)I);
57     }
58     bool visitLoadInst(LoadInst &LI);
59     bool visitInstruction(Instruction &) { return false; }
60
61   private:
62     void ReplaceInstWithInst(Instruction *First, BasicBlock::iterator SI);
63     void CommonSubExpressionFound(Instruction *I, Instruction *Other);
64
65     // TryToRemoveALoad - Try to remove one of L1 or L2.  The problem with
66     // removing loads is that intervening stores might make otherwise identical
67     // load's yield different values.  To ensure that this is not the case, we
68     // check that there are no intervening stores or calls between the
69     // instructions.
70     //
71     bool TryToRemoveALoad(LoadInst *L1, LoadInst *L2);
72
73     // CheckForInvalidatingInst - Return true if BB or any of the predecessors
74     // of BB (until DestBB) contain a store (or other invalidating) instruction.
75     //
76     bool CheckForInvalidatingInst(BasicBlock *BB, BasicBlock *DestBB,
77                                   set<BasicBlock*> &VisitedSet);
78
79     // This transformation requires dominator and immediate dominator info
80     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
81       AU.preservesCFG();
82       AU.addRequired<DominatorSet>();
83       AU.addRequired<ImmediateDominators>();
84     }
85   };
86
87   RegisterOpt<GCSE> X("gcse", "Global Common Subexpression Elimination");
88 }
89
90 // createGCSEPass - The public interface to this file...
91 Pass *createGCSEPass() { return new GCSE(); }
92
93
94 // GCSE::runOnFunction - This is the main transformation entry point for a
95 // function.
96 //
97 bool GCSE::runOnFunction(Function &F) {
98   bool Changed = false;
99
100   DomSetInfo = &getAnalysis<DominatorSet>();
101   ImmDominator = &getAnalysis<ImmediateDominators>();
102
103   // Step #1: Add all instructions in the function to the worklist for
104   // processing.  All of the instructions are considered to be our
105   // subexpressions to eliminate if possible.
106   //
107   WorkList.insert(inst_begin(F), inst_end(F));
108
109   // Step #2: WorkList processing.  Iterate through all of the instructions,
110   // checking to see if there are any additionally defined subexpressions in the
111   // program.  If so, eliminate them!
112   //
113   while (!WorkList.empty()) {
114     Instruction &I = **WorkList.begin(); // Get an instruction from the worklist
115     WorkList.erase(WorkList.begin());
116
117     // Visit the instruction, dispatching to the correct visit function based on
118     // the instruction type.  This does the checking.
119     //
120     Changed |= visit(I);
121   }
122
123   // Clear out data structure so that next function starts fresh
124   BBContainsStore.clear();
125   
126   // When the worklist is empty, return whether or not we changed anything...
127   return Changed;
128 }
129
130
131 // ReplaceInstWithInst - Destroy the instruction pointed to by SI, making all
132 // uses of the instruction use First now instead.
133 //
134 void GCSE::ReplaceInstWithInst(Instruction *First, BasicBlock::iterator SI) {
135   Instruction &Second = *SI;
136   
137   //cerr << "DEL " << (void*)Second << Second;
138
139   // Add the first instruction back to the worklist
140   WorkList.insert(First);
141
142   // Add all uses of the second instruction to the worklist
143   for (Value::use_iterator UI = Second.use_begin(), UE = Second.use_end();
144        UI != UE; ++UI)
145     WorkList.insert(cast<Instruction>(*UI));
146     
147   // Make all users of 'Second' now use 'First'
148   Second.replaceAllUsesWith(First);
149
150   // Erase the second instruction from the program
151   Second.getParent()->getInstList().erase(SI);
152 }
153
154 // CommonSubExpressionFound - The two instruction I & Other have been found to
155 // be common subexpressions.  This function is responsible for eliminating one
156 // of them, and for fixing the worklist to be correct.
157 //
158 void GCSE::CommonSubExpressionFound(Instruction *I, Instruction *Other) {
159   assert(I != Other);
160
161   WorkList.erase(I);
162   WorkList.erase(Other); // Other may not actually be on the worklist anymore...
163
164   ++NumInstRemoved;   // Keep track of number of instructions eliminated
165
166   // Handle the easy case, where both instructions are in the same basic block
167   BasicBlock *BB1 = I->getParent(), *BB2 = Other->getParent();
168   if (BB1 == BB2) {
169     // Eliminate the second occuring instruction.  Add all uses of the second
170     // instruction to the worklist.
171     //
172     // Scan the basic block looking for the "first" instruction
173     BasicBlock::iterator BI = BB1->begin();
174     while (&*BI != I && &*BI != Other) {
175       ++BI;
176       assert(BI != BB1->end() && "Instructions not found in parent BB!");
177     }
178
179     // Keep track of which instructions occurred first & second
180     Instruction *First = BI;
181     Instruction *Second = I != First ? I : Other; // Get iterator to second inst
182     BI = Second;
183
184     // Destroy Second, using First instead.
185     ReplaceInstWithInst(First, BI);    
186
187     // Otherwise, the two instructions are in different basic blocks.  If one
188     // dominates the other instruction, we can simply use it
189     //
190   } else if (DomSetInfo->dominates(BB1, BB2)) {    // I dom Other?
191     ReplaceInstWithInst(I, Other);
192   } else if (DomSetInfo->dominates(BB2, BB1)) {    // Other dom I?
193     ReplaceInstWithInst(Other, I);
194   } else {
195     // This code is disabled because it has several problems:
196     // One, the actual assumption is wrong, as shown by this code:
197     // int "test"(int %X, int %Y) {
198     //         %Z = add int %X, %Y
199     //         ret int %Z
200     // Unreachable:
201     //         %Q = add int %X, %Y
202     //         ret int %Q
203     // }
204     //
205     // Here there are no shared dominators.  Additionally, this had the habit of
206     // moving computations where they were not always computed.  For example, in
207     // a cast like this:
208     //  if (c) {
209     //    if (d)  ...
210     //    else ... X+Y ...
211     //  } else {
212     //    ... X+Y ...
213     //  }
214     // 
215     // In thiscase, the expression would be hoisted to outside the 'if' stmt,
216     // causing the expression to be evaluated, even for the if (d) path, which
217     // could cause problems, if, for example, it caused a divide by zero.  In
218     // general the problem this case is trying to solve is better addressed with
219     // PRE than GCSE.
220     //
221
222 #if 0
223     // Handle the most general case now.  In this case, neither I dom Other nor
224     // Other dom I.  Because we are in SSA form, we are guaranteed that the
225     // operands of the two instructions both dominate the uses, so we _know_
226     // that there must exist a block that dominates both instructions (if the
227     // operands of the instructions are globals or constants, worst case we
228     // would get the entry node of the function).  Search for this block now.
229     //
230
231     // Search up the immediate dominator chain of BB1 for the shared dominator
232     BasicBlock *SharedDom = (*ImmDominator)[BB1];
233     while (!DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB2))
234       SharedDom = (*ImmDominator)[SharedDom];
235
236     // At this point, shared dom must dominate BOTH BB1 and BB2...
237     assert(SharedDom && DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB1) &&
238            DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB2) && "Dominators broken!");
239
240     // Rip 'I' out of BB1, and move it to the end of SharedDom.
241     BB1->getInstList().remove(I);
242     SharedDom->getInstList().insert(--SharedDom->end(), I);
243
244     // Eliminate 'Other' now.
245     ReplaceInstWithInst(I, Other);
246 #endif
247   }
248 }
249
250 //===----------------------------------------------------------------------===//
251 //
252 // Visitation methods, these are invoked depending on the type of instruction
253 // being checked.  They should return true if a common subexpression was folded.
254 //
255 //===----------------------------------------------------------------------===//
256
257 bool GCSE::visitUnaryOperator(Instruction &I) {
258   Value *Op = I.getOperand(0);
259   Function *F = I.getParent()->getParent();
260   
261   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
262        UI != UE; ++UI)
263     if (Instruction *Other = dyn_cast<Instruction>(*UI))
264       // Check to see if this new binary operator is not I, but same operand...
265       if (Other != &I && Other->getOpcode() == I.getOpcode() &&
266           Other->getOperand(0) == Op &&     // Is the operand the same?
267           // Is it embeded in the same function?  (This could be false if LHS
268           // is a constant or global!)
269           Other->getParent()->getParent() == F &&
270
271           // Check that the types are the same, since this code handles casts...
272           Other->getType() == I.getType()) {
273         
274         // These instructions are identical.  Handle the situation.
275         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
276         return true;   // One instruction eliminated!
277       }
278   
279   return false;
280 }
281
282 // isIdenticalBinaryInst - Return true if the two binary instructions are
283 // identical.
284 //
285 static inline bool isIdenticalBinaryInst(const Instruction &I1,
286                                          const Instruction *I2) {
287   // Is it embeded in the same function?  (This could be false if LHS
288   // is a constant or global!)
289   if (I1.getOpcode() != I2->getOpcode() ||
290       I1.getParent()->getParent() != I2->getParent()->getParent())
291     return false;
292   
293   // They are identical if both operands are the same!
294   if (I1.getOperand(0) == I2->getOperand(0) &&
295       I1.getOperand(1) == I2->getOperand(1))
296     return true;
297   
298   // If the instruction is commutative and associative, the instruction can
299   // match if the operands are swapped!
300   //
301   if ((I1.getOperand(0) == I2->getOperand(1) &&
302        I1.getOperand(1) == I2->getOperand(0)) &&
303       (I1.getOpcode() == Instruction::Add || 
304        I1.getOpcode() == Instruction::Mul ||
305        I1.getOpcode() == Instruction::And || 
306        I1.getOpcode() == Instruction::Or  ||
307        I1.getOpcode() == Instruction::Xor))
308     return true;
309
310   return false;
311 }
312
313 bool GCSE::visitBinaryOperator(Instruction &I) {
314   Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
315   Function *F = I.getParent()->getParent();
316   
317   for (Value::use_iterator UI = LHS->use_begin(), UE = LHS->use_end();
318        UI != UE; ++UI)
319     if (Instruction *Other = dyn_cast<Instruction>(*UI))
320       // Check to see if this new binary operator is not I, but same operand...
321       if (Other != &I && isIdenticalBinaryInst(I, Other)) {        
322         // These instructions are identical.  Handle the situation.
323         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
324         return true;   // One instruction eliminated!
325       }
326   
327   return false;
328 }
329
330 // IdenticalComplexInst - Return true if the two instructions are the same, by
331 // using a brute force comparison.
332 //
333 static bool IdenticalComplexInst(const Instruction *I1, const Instruction *I2) {
334   assert(I1->getOpcode() == I2->getOpcode());
335   // Equal if they are in the same function...
336   return I1->getParent()->getParent() == I2->getParent()->getParent() &&
337     // And return the same type...
338     I1->getType() == I2->getType() &&
339     // And have the same number of operands...
340     I1->getNumOperands() == I2->getNumOperands() &&
341     // And all of the operands are equal.
342     std::equal(I1->op_begin(), I1->op_end(), I2->op_begin());
343 }
344
345 bool GCSE::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &I) {
346   Value *Op = I.getOperand(0);
347   Function *F = I.getParent()->getParent();
348   
349   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
350        UI != UE; ++UI)
351     if (GetElementPtrInst *Other = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI))
352       // Check to see if this new getelementptr is not I, but same operand...
353       if (Other != &I && IdenticalComplexInst(&I, Other)) {
354         // These instructions are identical.  Handle the situation.
355         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
356         return true;   // One instruction eliminated!
357       }
358   
359   return false;
360 }
361
362 bool GCSE::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
363   Value *Op = LI.getOperand(0);
364   Function *F = LI.getParent()->getParent();
365   
366   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
367        UI != UE; ++UI)
368     if (LoadInst *Other = dyn_cast<LoadInst>(*UI))
369       // Check to see if this new load is not LI, but has the same operands...
370       if (Other != &LI && IdenticalComplexInst(&LI, Other) &&
371           TryToRemoveALoad(&LI, Other))
372         return true;   // An instruction was eliminated!
373   
374   return false;
375 }
376
377 static inline bool isInvalidatingInst(const Instruction &I) {
378   return I.getOpcode() == Instruction::Store ||
379          I.getOpcode() == Instruction::Call ||
380          I.getOpcode() == Instruction::Invoke;
381 }
382
383 // TryToRemoveALoad - Try to remove one of L1 or L2.  The problem with removing
384 // loads is that intervening stores might make otherwise identical load's yield
385 // different values.  To ensure that this is not the case, we check that there
386 // are no intervening stores or calls between the instructions.
387 //
388 bool GCSE::TryToRemoveALoad(LoadInst *L1, LoadInst *L2) {
389   // Figure out which load dominates the other one.  If neither dominates the
390   // other we cannot eliminate one...
391   //
392   if (DomSetInfo->dominates(L2, L1)) 
393     std::swap(L1, L2);   // Make L1 dominate L2
394   else if (!DomSetInfo->dominates(L1, L2))
395     return false;  // Neither instruction dominates the other one...
396
397   BasicBlock *BB1 = L1->getParent(), *BB2 = L2->getParent();
398
399   BasicBlock::iterator L1I = L1;
400
401   // L1 now dominates L2.  Check to see if the intervening instructions between
402   // the two loads include a store or call...
403   //
404   if (BB1 == BB2) {  // In same basic block?
405     // In this degenerate case, no checking of global basic blocks has to occur
406     // just check the instructions BETWEEN L1 & L2...
407     //
408     for (++L1I; &*L1I != L2; ++L1I)
409       if (isInvalidatingInst(*L1I))
410         return false;   // Cannot eliminate load
411
412     ++NumLoadRemoved;
413     CommonSubExpressionFound(L1, L2);
414     return true;
415   } else {
416     // Make sure that there are no store instructions between L1 and the end of
417     // it's basic block...
418     //
419     for (++L1I; L1I != BB1->end(); ++L1I)
420       if (isInvalidatingInst(*L1I)) {
421         BBContainsStore[BB1] = true;
422         return false;   // Cannot eliminate load
423       }
424
425     // Make sure that there are no store instructions between the start of BB2
426     // and the second load instruction...
427     //
428     for (BasicBlock::iterator II = BB2->begin(); &*II != L2; ++II)
429       if (isInvalidatingInst(*II)) {
430         BBContainsStore[BB2] = true;
431         return false;   // Cannot eliminate load
432       }
433
434     // Do a depth first traversal of the inverse CFG starting at L2's block,
435     // looking for L1's block.  The inverse CFG is made up of the predecessor
436     // nodes of a block... so all of the edges in the graph are "backward".
437     //
438     set<BasicBlock*> VisitedSet;
439     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), PE = pred_end(BB2); PI != PE; ++PI)
440       if (CheckForInvalidatingInst(*PI, BB1, VisitedSet))
441         return false;
442     
443     ++NumLoadRemoved;
444     CommonSubExpressionFound(L1, L2);
445     return true;
446   }
447   return false;
448 }
449
450 // CheckForInvalidatingInst - Return true if BB or any of the predecessors of BB
451 // (until DestBB) contain a store (or other invalidating) instruction.
452 //
453 bool GCSE::CheckForInvalidatingInst(BasicBlock *BB, BasicBlock *DestBB,
454                                     set<BasicBlock*> &VisitedSet) {
455   // Found the termination point!
456   if (BB == DestBB || VisitedSet.count(BB)) return false;
457
458   // Avoid infinite recursion!
459   VisitedSet.insert(BB);
460
461   // Have we already checked this block?
462   map<BasicBlock*, bool>::iterator MI = BBContainsStore.find(BB);
463   
464   if (MI != BBContainsStore.end()) {
465     // If this block is known to contain a store, exit the recursion early...
466     if (MI->second) return true;
467     // Otherwise continue checking predecessors...
468   } else {
469     // We don't know if this basic block contains an invalidating instruction.
470     // Check now:
471     bool HasStore = std::find_if(BB->begin(), BB->end(),
472                                  isInvalidatingInst) != BB->end();
473     if ((BBContainsStore[BB] = HasStore))   // Update map
474       return true;   // Exit recursion early...
475   }
476
477   // Check all of our predecessor blocks...
478   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), PE = pred_end(BB); PI != PE; ++PI)
479     if (CheckForInvalidatingInst(*PI, DestBB, VisitedSet))
480       return true;
481
482   // None of our predecessor blocks contain a store, and we don't either!
483   return false;
484 }