[C++] Use 'nullptr'.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion 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 loop invariant code motion, attempting to remove as much
11 // code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting
12 // code into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is
13 // safe.  This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to
14 // live in registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
19 //     that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to,
20 //     we can hoist it or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the SSAUpdater to construct the appropriate SSA form for the value.
30 //
31 //===----------------------------------------------------------------------===//
32
33 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
41 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
42 #include "llvm/IR/CFG.h"
43 #include "llvm/IR/Constants.h"
44 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
45 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
46 #include "llvm/IR/Dominators.h"
47 #include "llvm/IR/Instructions.h"
48 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
49 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
50 #include "llvm/IR/Metadata.h"
51 #include "llvm/IR/PredIteratorCache.h"
52 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
53 #include "llvm/Support/Debug.h"
54 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
55 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
56 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
57 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
59 #include <algorithm>
60 using namespace llvm;
61
62 #define DEBUG_TYPE "licm"
63
64 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
65 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
66 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
67 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
68 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
69
70 static cl::opt<bool>
71 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
72                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
73
74 namespace {
75   struct LICM : public LoopPass {
76     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
77     LICM() : LoopPass(ID) {
78       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
79     }
80
81     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
82
83     /// This transformation requires natural loop information & requires that
84     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
85     ///
86     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
87       AU.setPreservesCFG();
88       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
89       AU.addRequired<LoopInfo>();
90       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
91       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
92       AU.addRequiredID(LCSSAID);
93       AU.addPreservedID(LCSSAID);
94       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
95       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
96       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
97       AU.addRequired<TargetLibraryInfo>();
98     }
99
100     using llvm::Pass::doFinalization;
101
102     bool doFinalization() override {
103       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
104       return false;
105     }
106
107   private:
108     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
109     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
110     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
111
112     const DataLayout *DL;    // DataLayout for constant folding.
113     TargetLibraryInfo *TLI;  // TargetLibraryInfo for constant folding.
114
115     // State that is updated as we process loops.
116     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
117     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
118     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
119     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
120     bool MayThrow;           // The current loop contains an instruction which
121                              // may throw, thus preventing code motion of
122                              // instructions with side effects.
123     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
124
125     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
126     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To,
127                                  Loop *L) override;
128
129     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
130     /// set.
131     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) override;
132
133     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
134     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
135     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
136     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
137     /// pass without iteration.
138     ///
139     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
140
141     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
142     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
143     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
144     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
145     /// pass without iteration.
146     ///
147     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
148
149     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
150     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
151     ///
152     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
153       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
154       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
155     }
156
157     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
158     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
159     /// needed.
160     ///
161     void sink(Instruction &I);
162
163     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
164     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
165     ///
166     void hoist(Instruction &I);
167
168     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
169     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
170     /// guaranteed to execute.
171     ///
172     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
173
174     /// isGuaranteedToExecute - Check that the instruction is guaranteed to
175     /// execute.
176     ///
177     bool isGuaranteedToExecute(Instruction &I);
178
179     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
180     /// store into the memory location pointed to by V.
181     ///
182     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
183                                   const MDNode *TBAAInfo) {
184       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
185       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, TBAAInfo).isMod();
186     }
187
188     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
189     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
190
191     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
192                          SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
193                          SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
194                          PredIteratorCache &PIC);
195   };
196 }
197
198 char LICM::ID = 0;
199 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
200 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
201 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
202 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
203 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
204 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
205 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
206 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
207 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
208
209 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
210
211 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
212 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
213 /// times on one loop.
214 ///
215 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
216   if (skipOptnoneFunction(L))
217     return false;
218
219   Changed = false;
220
221   // Get our Loop and Alias Analysis information...
222   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
223   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
224   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
225
226   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
227   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
228   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
229
230   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop is not in LCSSA form.");
231
232   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
233   // Collect Alias info from subloops.
234   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
235        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
236     Loop *InnerL = *LoopItr;
237     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
238     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
239
240     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
241     CurAST->add(*InnerAST);
242
243     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
244     // subloop's anymore.
245     delete InnerAST;
246     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
247   }
248
249   CurLoop = L;
250
251   // Get the preheader block to move instructions into...
252   Preheader = L->getLoopPreheader();
253
254   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
255   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
256   // subloops.
257   //
258   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
259        I != E; ++I) {
260     BasicBlock *BB = *I;
261     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
262       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
263   }
264
265   MayThrow = false;
266   // TODO: We've already searched for instructions which may throw in subloops.
267   // We may want to reuse this information.
268   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), BBE = L->block_end();
269        (BB != BBE) && !MayThrow ; ++BB)
270     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
271          (I != E) && !MayThrow; ++I)
272       MayThrow |= I->mayThrow();
273
274   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
275   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
276   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
277   // the subloops).
278   //
279   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
280   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
281   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
282   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
283   //
284   if (L->hasDedicatedExits())
285     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
286   if (Preheader)
287     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
288
289   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
290   // memory references to scalars that we can.
291   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
292     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
293     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
294     PredIteratorCache PIC;
295
296     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
297     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
298          I != E; ++I)
299       PromoteAliasSet(*I, ExitBlocks, InsertPts, PIC);
300
301     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
302     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
303     // loop used in the outer loop.
304     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
305     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
306     // it as it went.
307     if (Changed)
308       formLCSSARecursively(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
309   }
310
311   // Check that neither this loop nor its parent have had LCSSA broken. LICM is
312   // specifically moving instructions across the loop boundary and so it is
313   // especially in need of sanity checking here.
314   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop not left in LCSSA form after LICM!");
315   assert((!L->getParentLoop() || L->getParentLoop()->isLCSSAForm(*DT)) &&
316          "Parent loop not left in LCSSA form after LICM!");
317
318   // Clear out loops state information for the next iteration
319   CurLoop = nullptr;
320   Preheader = nullptr;
321
322   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
323   // for when we process the outer loop.
324   if (L->getParentLoop())
325     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
326   else
327     delete CurAST;
328   return Changed;
329 }
330
331 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
332 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
333 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
334 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
335 /// iteration.
336 ///
337 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
338   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
339   BasicBlock *BB = N->getBlock();
340
341   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
342   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
343
344   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
345   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
346   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
347     SinkRegion(Children[i]);
348
349   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
350   // subloop (which would already have been processed).
351   if (inSubLoop(BB)) return;
352
353   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
354     Instruction &I = *--II;
355
356     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
357     // in the loop, instead, just delete it.
358     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
359       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
360       ++II;
361       CurAST->deleteValue(&I);
362       I.eraseFromParent();
363       Changed = true;
364       continue;
365     }
366
367     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
368     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
369     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
370     // operands of the instruction are loop invariant.
371     //
372     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
373       ++II;
374       sink(I);
375     }
376   }
377 }
378
379 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
380 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
381 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
382 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
383 ///
384 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
385   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
386   BasicBlock *BB = N->getBlock();
387
388   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
389   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
390
391   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
392   // subloop (which would already have been processed).
393   if (!inSubLoop(BB))
394     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
395       Instruction &I = *II++;
396
397       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
398       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
399       // fold it.
400       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, DL, TLI)) {
401         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
402         CurAST->copyValue(&I, C);
403         CurAST->deleteValue(&I);
404         I.replaceAllUsesWith(C);
405         I.eraseFromParent();
406         continue;
407       }
408
409       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
410       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
411       // is safe to hoist the instruction.
412       //
413       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
414           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
415         hoist(I);
416     }
417
418   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
419   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
420     HoistRegion(Children[i]);
421 }
422
423 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
424 /// instruction.
425 ///
426 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
427   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
428   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
429     if (!LI->isUnordered())
430       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
431
432     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
433     // in the same alias set as something that ends up being modified.
434     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
435       return true;
436     if (LI->getMetadata("invariant.load"))
437       return true;
438
439     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
440     uint64_t Size = 0;
441     if (LI->getType()->isSized())
442       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
443     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size,
444                                      LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
445   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
446     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
447     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
448       return false;
449
450     // Handle simple cases by querying alias analysis.
451     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
452     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
453       return true;
454     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
455       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
456       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
457       bool FoundMod = false;
458       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
459            I != E; ++I) {
460         AliasSet &AS = *I;
461         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
462           FoundMod = true;
463           break;
464         }
465       }
466       if (!FoundMod) return true;
467     }
468
469     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
470     // sink the call.
471
472     return false;
473   }
474
475   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
476   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
477       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
478       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
479       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
480       !isa<InsertValueInst>(I))
481     return false;
482
483   return isSafeToExecuteUnconditionally(I);
484 }
485
486 /// \brief Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
487 /// Instruction.
488 ///
489 /// This is true when all incoming values are that instruction. This pattern
490 /// occurs most often with LCSSA PHI nodes.
491 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
492   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
493     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
494       return false;
495
496   return true;
497 }
498
499 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
500 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
501 /// exit blocks of the loop.
502 ///
503 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
504   for (User *U : I.users()) {
505     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
506     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
507       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
508       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
509       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
510       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
511       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
512         if (CurLoop->contains(PN))
513           return false;
514         else
515           continue;
516       }
517
518       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
519       // values. Check for such a use being inside the loop.
520       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
521         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
522           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
523             return false;
524
525       continue;
526     }
527
528     if (CurLoop->contains(UI))
529       return false;
530   }
531   return true;
532 }
533
534 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
535 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
536 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
537 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
538 ///
539 void LICM::sink(Instruction &I) {
540   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
541
542   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
543   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
544   ++NumSunk;
545   Changed = true;
546
547 #ifndef NDEBUG
548   SmallVector<BasicBlock *, 32> ExitBlocks;
549   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
550   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
551 #endif
552
553   // If this instruction is only used outside of the loop, then all users are
554   // PHI nodes in exit blocks due to LCSSA form. Just RAUW them with clones of
555   // the instruction.
556   while (!I.use_empty()) {
557     // The user must be a PHI node.
558     PHINode *PN = cast<PHINode>(I.user_back());
559
560     BasicBlock *ExitBlock = PN->getParent();
561     assert(ExitBlockSet.count(ExitBlock) &&
562            "The LCSSA PHI is not in an exit block!");
563
564     Instruction *New = I.clone();
565     ExitBlock->getInstList().insert(ExitBlock->getFirstInsertionPt(), New);
566     if (!I.getName().empty())
567       New->setName(I.getName() + ".le");
568
569     // Build LCSSA PHI nodes for any in-loop operands. Note that this is
570     // particularly cheap because we can rip off the PHI node that we're
571     // replacing for the number and blocks of the predecessors.
572     // OPT: If this shows up in a profile, we can instead finish sinking all
573     // invariant instructions, and then walk their operands to re-establish
574     // LCSSA. That will eliminate creating PHI nodes just to nuke them when
575     // sinking bottom-up.
576     for (User::op_iterator OI = New->op_begin(), OE = New->op_end(); OI != OE;
577          ++OI)
578       if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
579         if (Loop *OLoop = LI->getLoopFor(OInst->getParent()))
580           if (!OLoop->contains(PN)) {
581             PHINode *OpPN = PHINode::Create(
582                 OInst->getType(), PN->getNumIncomingValues(),
583                 OInst->getName() + ".lcssa", ExitBlock->begin());
584             for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
585               OpPN->addIncoming(OInst, PN->getIncomingBlock(i));
586             *OI = OpPN;
587           }
588
589     PN->replaceAllUsesWith(New);
590     PN->eraseFromParent();
591   }
592
593   CurAST->deleteValue(&I);
594   I.eraseFromParent();
595 }
596
597 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
598 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
599 ///
600 void LICM::hoist(Instruction &I) {
601   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
602         << I << "\n");
603
604   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
605   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
606
607   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
608   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
609   ++NumHoisted;
610   Changed = true;
611 }
612
613 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
614 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
615 /// guaranteed to execute.
616 ///
617 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
618   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
619   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst))
620     return true;
621
622   return isGuaranteedToExecute(Inst);
623 }
624
625 bool LICM::isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst) {
626
627   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
628   // exit the loop.
629   if (MayThrow)
630     return false;
631
632   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
633   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
634   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
635
636   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
637   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
638   // is a common case, and can save some work, check it now.
639   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
640     return true;
641
642   // Get the exit blocks for the current loop.
643   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
644   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
645
646   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
647   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
648     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
649       return false;
650
651   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
652   // proven anything since there are no exit blocks.
653   if (ExitBlocks.empty())
654     return false;
655
656   return true;
657 }
658
659 namespace {
660   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
661     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
662     SmallPtrSet<Value*, 4> &PointerMustAliases;
663     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
664     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
665     PredIteratorCache &PredCache;
666     AliasSetTracker &AST;
667     LoopInfo &LI;
668     DebugLoc DL;
669     int Alignment;
670     MDNode *TBAATag;
671
672     Value *maybeInsertLCSSAPHI(Value *V, BasicBlock *BB) const {
673       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
674         if (Loop *L = LI.getLoopFor(I->getParent()))
675           if (!L->contains(BB)) {
676             // We need to create an LCSSA PHI node for the incoming value and
677             // store that.
678             PHINode *PN = PHINode::Create(
679                 I->getType(), PredCache.GetNumPreds(BB),
680                 I->getName() + ".lcssa", BB->begin());
681             for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(BB); *PI; ++PI)
682               PN->addIncoming(I, *PI);
683             return PN;
684           }
685       return V;
686     }
687
688   public:
689     LoopPromoter(Value *SP, const SmallVectorImpl<Instruction *> &Insts,
690                  SSAUpdater &S, SmallPtrSet<Value *, 4> &PMA,
691                  SmallVectorImpl<BasicBlock *> &LEB,
692                  SmallVectorImpl<Instruction *> &LIP, PredIteratorCache &PIC,
693                  AliasSetTracker &ast, LoopInfo &li, DebugLoc dl, int alignment,
694                  MDNode *TBAATag)
695         : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP), PointerMustAliases(PMA),
696           LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP), PredCache(PIC), AST(ast),
697           LI(li), DL(dl), Alignment(alignment), TBAATag(TBAATag) {}
698
699     bool isInstInList(Instruction *I,
700                       const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const override {
701       Value *Ptr;
702       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
703         Ptr = LI->getOperand(0);
704       else
705         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
706       return PointerMustAliases.count(Ptr);
707     }
708
709     void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const override {
710       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
711       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
712       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
713       // definition, it is all set and we can start using it.
714       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
715         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
716         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
717         LiveInValue = maybeInsertLCSSAPHI(LiveInValue, ExitBlock);
718         Value *Ptr = maybeInsertLCSSAPHI(SomePtr, ExitBlock);
719         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
720         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, Ptr, InsertPos);
721         NewSI->setAlignment(Alignment);
722         NewSI->setDebugLoc(DL);
723         if (TBAATag) NewSI->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
724       }
725     }
726
727     void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const override {
728       // Update alias analysis.
729       AST.copyValue(LI, V);
730     }
731     void instructionDeleted(Instruction *I) const override {
732       AST.deleteValue(I);
733     }
734   };
735 } // end anon namespace
736
737 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
738 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
739 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
740 /// which are loop invariant.
741 ///
742 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
743                            SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
744                            SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
745                            PredIteratorCache &PIC) {
746   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
747   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
748   // volatile loads or stores.
749   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
750       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
751     return;
752
753   assert(!AS.empty() &&
754          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
755   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
756
757   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
758   // conditional.  For example, turning:
759   //
760   //    for () { if (c) *P += 1; }
761   //
762   // into:
763   //
764   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
765   //
766   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
767   //
768   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
769   // least one is guaranteed to be executed.
770   bool GuaranteedToExecute = false;
771
772   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
773   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
774
775   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
776   // us to prove better alignment.
777   unsigned Alignment = 1;
778   MDNode *TBAATag = nullptr;
779
780   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
781   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
782   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and TBAA info.
783   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
784     Value *ASIV = ASI->getValue();
785     PointerMustAliases.insert(ASIV);
786
787     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
788     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
789     // different sizes.
790     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
791       return;
792
793     for (User *U : ASIV->users()) {
794       // Ignore instructions that are outside the loop.
795       Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
796       if (!UI || !CurLoop->contains(UI))
797         continue;
798
799       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
800       // it.
801       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
802         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
803         if (!load->isSimple())
804           return;
805       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
806         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
807         // pointer.
808         if (UI->getOperand(1) != ASIV)
809           continue;
810         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
811         if (!store->isSimple())
812           return;
813
814         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
815         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
816         // (which would break the LLVM concurrency model).
817
818         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
819         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
820         // instruction will be executed, update the alignment.
821         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
822         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
823         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
824           if (isGuaranteedToExecute(*UI)) {
825             GuaranteedToExecute = true;
826             Alignment = InstAlignment;
827           }
828
829         if (!GuaranteedToExecute)
830           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*UI);
831
832       } else
833         return; // Not a load or store.
834
835       // Merge the TBAA tags.
836       if (LoopUses.empty()) {
837         // On the first load/store, just take its TBAA tag.
838         TBAATag = UI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
839       } else if (TBAATag) {
840         TBAATag = MDNode::getMostGenericTBAA(TBAATag,
841                                        UI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
842       }
843
844       LoopUses.push_back(UI);
845     }
846   }
847
848   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
849   if (!GuaranteedToExecute)
850     return;
851
852   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
853   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
854   Changed = true;
855   ++NumPromoted;
856
857   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
858   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
859   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
860   // location is better than none.
861   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
862
863   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
864   // first promotion.
865   if (ExitBlocks.empty()) {
866     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
867     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
868     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
869       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
870   }
871
872   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
873   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
874   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
875   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
876                         InsertPts, PIC, *CurAST, *LI, DL, Alignment, TBAATag);
877
878   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
879   // value from the preheader that uses in the loop will use.
880   LoadInst *PreheaderLoad =
881     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
882                  Preheader->getTerminator());
883   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
884   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
885   if (TBAATag) PreheaderLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
886   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
887
888   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
889   // stores in the loop.
890   Promoter.run(LoopUses);
891
892   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
893   if (PreheaderLoad->use_empty())
894     PreheaderLoad->eraseFromParent();
895 }
896
897
898 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
899 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
900   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
901   if (!AST)
902     return;
903
904   AST->copyValue(From, To);
905 }
906
907 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
908 /// set.
909 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
910   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
911   if (!AST)
912     return;
913
914   AST->deleteValue(V);
915 }