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