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[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::ID);
83       AU.addRequired(ImmediateDominators::ID); 
84     }
85   };
86
87   RegisterPass<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     // Handle the most general case now.  In this case, neither I dom Other nor
196     // Other dom I.  Because we are in SSA form, we are guaranteed that the
197     // operands of the two instructions both dominate the uses, so we _know_
198     // that there must exist a block that dominates both instructions (if the
199     // operands of the instructions are globals or constants, worst case we
200     // would get the entry node of the function).  Search for this block now.
201     //
202
203     // Search up the immediate dominator chain of BB1 for the shared dominator
204     BasicBlock *SharedDom = (*ImmDominator)[BB1];
205     while (!DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB2))
206       SharedDom = (*ImmDominator)[SharedDom];
207
208     // At this point, shared dom must dominate BOTH BB1 and BB2...
209     assert(SharedDom && DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB1) &&
210            DomSetInfo->dominates(SharedDom, BB2) && "Dominators broken!");
211
212     // Rip 'I' out of BB1, and move it to the end of SharedDom.
213     BB1->getInstList().remove(I);
214     SharedDom->getInstList().insert(--SharedDom->end(), I);
215
216     // Eliminate 'Other' now.
217     ReplaceInstWithInst(I, Other);
218   }
219 }
220
221 //===----------------------------------------------------------------------===//
222 //
223 // Visitation methods, these are invoked depending on the type of instruction
224 // being checked.  They should return true if a common subexpression was folded.
225 //
226 //===----------------------------------------------------------------------===//
227
228 bool GCSE::visitUnaryOperator(Instruction &I) {
229   Value *Op = I.getOperand(0);
230   Function *F = I.getParent()->getParent();
231   
232   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
233        UI != UE; ++UI)
234     if (Instruction *Other = dyn_cast<Instruction>(*UI))
235       // Check to see if this new binary operator is not I, but same operand...
236       if (Other != &I && Other->getOpcode() == I.getOpcode() &&
237           Other->getOperand(0) == Op &&     // Is the operand the same?
238           // Is it embeded in the same function?  (This could be false if LHS
239           // is a constant or global!)
240           Other->getParent()->getParent() == F &&
241
242           // Check that the types are the same, since this code handles casts...
243           Other->getType() == I.getType()) {
244         
245         // These instructions are identical.  Handle the situation.
246         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
247         return true;   // One instruction eliminated!
248       }
249   
250   return false;
251 }
252
253 // isIdenticalBinaryInst - Return true if the two binary instructions are
254 // identical.
255 //
256 static inline bool isIdenticalBinaryInst(const Instruction &I1,
257                                          const Instruction *I2) {
258   // Is it embeded in the same function?  (This could be false if LHS
259   // is a constant or global!)
260   if (I1.getOpcode() != I2->getOpcode() ||
261       I1.getParent()->getParent() != I2->getParent()->getParent())
262     return false;
263   
264   // They are identical if both operands are the same!
265   if (I1.getOperand(0) == I2->getOperand(0) &&
266       I1.getOperand(1) == I2->getOperand(1))
267     return true;
268   
269   // If the instruction is commutative and associative, the instruction can
270   // match if the operands are swapped!
271   //
272   if ((I1.getOperand(0) == I2->getOperand(1) &&
273        I1.getOperand(1) == I2->getOperand(0)) &&
274       (I1.getOpcode() == Instruction::Add || 
275        I1.getOpcode() == Instruction::Mul ||
276        I1.getOpcode() == Instruction::And || 
277        I1.getOpcode() == Instruction::Or  ||
278        I1.getOpcode() == Instruction::Xor))
279     return true;
280
281   return false;
282 }
283
284 bool GCSE::visitBinaryOperator(Instruction &I) {
285   Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
286   Function *F = I.getParent()->getParent();
287   
288   for (Value::use_iterator UI = LHS->use_begin(), UE = LHS->use_end();
289        UI != UE; ++UI)
290     if (Instruction *Other = dyn_cast<Instruction>(*UI))
291       // Check to see if this new binary operator is not I, but same operand...
292       if (Other != &I && isIdenticalBinaryInst(I, Other)) {        
293         // These instructions are identical.  Handle the situation.
294         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
295         return true;   // One instruction eliminated!
296       }
297   
298   return false;
299 }
300
301 // IdenticalComplexInst - Return true if the two instructions are the same, by
302 // using a brute force comparison.
303 //
304 static bool IdenticalComplexInst(const Instruction *I1, const Instruction *I2) {
305   assert(I1->getOpcode() == I2->getOpcode());
306   // Equal if they are in the same function...
307   return I1->getParent()->getParent() == I2->getParent()->getParent() &&
308     // And return the same type...
309     I1->getType() == I2->getType() &&
310     // And have the same number of operands...
311     I1->getNumOperands() == I2->getNumOperands() &&
312     // And all of the operands are equal.
313     std::equal(I1->op_begin(), I1->op_end(), I2->op_begin());
314 }
315
316 bool GCSE::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &I) {
317   Value *Op = I.getOperand(0);
318   Function *F = I.getParent()->getParent();
319   
320   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
321        UI != UE; ++UI)
322     if (GetElementPtrInst *Other = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI))
323       // Check to see if this new getelementptr is not I, but same operand...
324       if (Other != &I && IdenticalComplexInst(&I, Other)) {
325         // These instructions are identical.  Handle the situation.
326         CommonSubExpressionFound(&I, Other);
327         return true;   // One instruction eliminated!
328       }
329   
330   return false;
331 }
332
333 bool GCSE::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
334   Value *Op = LI.getOperand(0);
335   Function *F = LI.getParent()->getParent();
336   
337   for (Value::use_iterator UI = Op->use_begin(), UE = Op->use_end();
338        UI != UE; ++UI)
339     if (LoadInst *Other = dyn_cast<LoadInst>(*UI))
340       // Check to see if this new load is not LI, but has the same operands...
341       if (Other != &LI && IdenticalComplexInst(&LI, Other) &&
342           TryToRemoveALoad(&LI, Other))
343         return true;   // An instruction was eliminated!
344   
345   return false;
346 }
347
348 static inline bool isInvalidatingInst(const Instruction &I) {
349   return I.getOpcode() == Instruction::Store ||
350          I.getOpcode() == Instruction::Call ||
351          I.getOpcode() == Instruction::Invoke;
352 }
353
354 // TryToRemoveALoad - Try to remove one of L1 or L2.  The problem with removing
355 // loads is that intervening stores might make otherwise identical load's yield
356 // different values.  To ensure that this is not the case, we check that there
357 // are no intervening stores or calls between the instructions.
358 //
359 bool GCSE::TryToRemoveALoad(LoadInst *L1, LoadInst *L2) {
360   // Figure out which load dominates the other one.  If neither dominates the
361   // other we cannot eliminate one...
362   //
363   if (DomSetInfo->dominates(L2, L1)) 
364     std::swap(L1, L2);   // Make L1 dominate L2
365   else if (!DomSetInfo->dominates(L1, L2))
366     return false;  // Neither instruction dominates the other one...
367
368   BasicBlock *BB1 = L1->getParent(), *BB2 = L2->getParent();
369
370   BasicBlock::iterator L1I = L1;
371
372   // L1 now dominates L2.  Check to see if the intervening instructions between
373   // the two loads include a store or call...
374   //
375   if (BB1 == BB2) {  // In same basic block?
376     // In this degenerate case, no checking of global basic blocks has to occur
377     // just check the instructions BETWEEN L1 & L2...
378     //
379     for (++L1I; &*L1I != L2; ++L1I)
380       if (isInvalidatingInst(*L1I))
381         return false;   // Cannot eliminate load
382
383     ++NumLoadRemoved;
384     CommonSubExpressionFound(L1, L2);
385     return true;
386   } else {
387     // Make sure that there are no store instructions between L1 and the end of
388     // it's basic block...
389     //
390     for (++L1I; L1I != BB1->end(); ++L1I)
391       if (isInvalidatingInst(*L1I)) {
392         BBContainsStore[BB1] = true;
393         return false;   // Cannot eliminate load
394       }
395
396     // Make sure that there are no store instructions between the start of BB2
397     // and the second load instruction...
398     //
399     for (BasicBlock::iterator II = BB2->begin(); &*II != L2; ++II)
400       if (isInvalidatingInst(*II)) {
401         BBContainsStore[BB2] = true;
402         return false;   // Cannot eliminate load
403       }
404
405     // Do a depth first traversal of the inverse CFG starting at L2's block,
406     // looking for L1's block.  The inverse CFG is made up of the predecessor
407     // nodes of a block... so all of the edges in the graph are "backward".
408     //
409     set<BasicBlock*> VisitedSet;
410     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB2), PE = pred_end(BB2); PI != PE; ++PI)
411       if (CheckForInvalidatingInst(*PI, BB1, VisitedSet))
412         return false;
413     
414     ++NumLoadRemoved;
415     CommonSubExpressionFound(L1, L2);
416     return true;
417   }
418   return false;
419 }
420
421 // CheckForInvalidatingInst - Return true if BB or any of the predecessors of BB
422 // (until DestBB) contain a store (or other invalidating) instruction.
423 //
424 bool GCSE::CheckForInvalidatingInst(BasicBlock *BB, BasicBlock *DestBB,
425                                     set<BasicBlock*> &VisitedSet) {
426   // Found the termination point!
427   if (BB == DestBB || VisitedSet.count(BB)) return false;
428
429   // Avoid infinite recursion!
430   VisitedSet.insert(BB);
431
432   // Have we already checked this block?
433   map<BasicBlock*, bool>::iterator MI = BBContainsStore.find(BB);
434   
435   if (MI != BBContainsStore.end()) {
436     // If this block is known to contain a store, exit the recursion early...
437     if (MI->second) return true;
438     // Otherwise continue checking predecessors...
439   } else {
440     // We don't know if this basic block contains an invalidating instruction.
441     // Check now:
442     bool HasStore = std::find_if(BB->begin(), BB->end(),
443                                  isInvalidatingInst) != BB->end();
444     if ((BBContainsStore[BB] = HasStore))   // Update map
445       return true;   // Exit recursion early...
446   }
447
448   // Check all of our predecessor blocks...
449   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), PE = pred_end(BB); PI != PE; ++PI)
450     if (CheckForInvalidatingInst(*PI, DestBB, VisitedSet))
451       return true;
452
453   // None of our predecessor blocks contain a store, and we don't either!
454   return false;
455 }