13440c13b653ebe6b6c55ec877efe023a7109eb8
[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 mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
30 //     variable.
31 //
32 //===----------------------------------------------------------------------===//
33
34 #define DEBUG_TYPE "licm"
35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
36 #include "llvm/Constants.h"
37 #include "llvm/DerivedTypes.h"
38 #include "llvm/Instructions.h"
39 #include "llvm/Target/TargetData.h"
40 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
41 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
42 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
43 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
44 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
45 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include "llvm/Support/Compiler.h"
49 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
50 #include "llvm/Support/Debug.h"
51 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
52 #include <algorithm>
53 using namespace llvm;
54
55 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
56 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
57 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
58 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
59 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
60
61 static cl::opt<bool>
62 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
63                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
64
65 namespace {
66   struct VISIBILITY_HIDDEN LICM : public LoopPass {
67     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
68     LICM() : LoopPass((intptr_t)&ID) {}
69
70     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
71
72     /// This transformation requires natural loop information & requires that
73     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
74     ///
75     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
76       AU.setPreservesCFG();
77       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
78       AU.addRequired<LoopInfo>();
79       AU.addRequired<DominatorTree>();
80       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
81       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
82       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
83       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
84     }
85
86     bool doFinalization() {
87       // Free the values stored in the map
88       for (std::map<Loop *, AliasSetTracker *>::iterator
89              I = LoopToAliasMap.begin(), E = LoopToAliasMap.end(); I != E; ++I)
90         delete I->second;
91
92       LoopToAliasMap.clear();
93       return false;
94     }
95
96   private:
97     // Various analyses that we use...
98     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
99     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
100     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
101     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
102
103     // State that is updated as we process loops
104     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
105     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
106     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
107     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
108     std::map<Loop *, AliasSetTracker *> LoopToAliasMap;
109
110     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
111     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
112
113     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
114     /// set.
115     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
116
117     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
118     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
119     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
120     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
121     /// pass without iteration.
122     ///
123     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
124
125     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
126     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
127     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
128     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
129     /// pass without iteration.
130     ///
131     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
132
133     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
134     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
135     ///
136     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
137       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
138       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
139         if ((*I)->contains(BB))
140           return true;  // A subloop actually contains this block!
141       return false;
142     }
143
144     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
145     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
146     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
147     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
148     /// searched.
149     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
150                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
151       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
152       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
153       if (BlockInLoop == LoopHeader)
154         return true;
155
156       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
157       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
158
159       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
160       // least_ its immediate dominator.
161       do {
162         // Get next Immediate Dominator.
163         IDom = IDom->getIDom();
164
165         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
166         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
167         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
168           return false;
169
170       } while (IDom != BlockInLoopNode);
171
172       return true;
173     }
174
175     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
176     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
177     /// needed.
178     ///
179     void sink(Instruction &I);
180
181     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
182     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
183     ///
184     void hoist(Instruction &I);
185
186     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
187     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
188     /// guaranteed to execute.
189     ///
190     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
191
192     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
193     /// store into the memory location pointed to by V.
194     ///
195     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, unsigned Size) {
196       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
197       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size).isMod();
198     }
199
200     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
201     bool isLoopInvariantInst(Instruction &I);
202     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
203
204     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
205     /// to scalars as we can.
206     ///
207     void PromoteValuesInLoop();
208
209     /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
210     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
211     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
212     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
213     /// alloca...
214     ///
215     void FindPromotableValuesInLoop(
216                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
217                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
218   };
219 }
220
221 char LICM::ID = 0;
222 static RegisterPass<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
223
224 LoopPass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
225
226 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
227 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
228 /// times on one loop.
229 ///
230 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
231   Changed = false;
232
233   // Get our Loop and Alias Analysis information...
234   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
235   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
236   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
237   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
238
239   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
240   // Collect Alias info from subloops
241   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
242        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
243     Loop *InnerL = *LoopItr;
244     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasMap[InnerL];
245     assert (InnerAST && "Where is my AST?");
246
247     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
248     CurAST->add(*InnerAST);
249   }
250   
251   CurLoop = L;
252
253   // Get the preheader block to move instructions into...
254   Preheader = L->getLoopPreheader();
255   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
256
257   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
258   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
259   // subloops.
260   //
261   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
262        I != E; ++I) {
263     BasicBlock *BB = *I;
264     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops...
265       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
266   }
267
268   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
269   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
270   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
271   // the subloops).
272   //
273   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
274   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
275   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
276   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
277   //
278   SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
279   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
280
281   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
282   // memory references to scalars that we can...
283   if (!DisablePromotion)
284     PromoteValuesInLoop();
285
286   // Clear out loops state information for the next iteration
287   CurLoop = 0;
288   Preheader = 0;
289
290   LoopToAliasMap[L] = CurAST;
291   return Changed;
292 }
293
294 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
295 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
296 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
297 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
298 /// iteration.
299 ///
300 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
301   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
302   BasicBlock *BB = N->getBlock();
303
304   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
305   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
306
307   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first...
308   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
309   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
310     SinkRegion(Children[i]);
311
312   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
313   // subloop (which would already have been processed).
314   if (inSubLoop(BB)) return;
315
316   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
317     Instruction &I = *--II;
318
319     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
320     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
321     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
322     // operands of the instruction are loop invariant.
323     //
324     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
325       ++II;
326       sink(I);
327     }
328   }
329 }
330
331
332 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
333 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
334 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
335 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
336 ///
337 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
338   assert(N != 0 && "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   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
345   // subloop (which would already have been processed).
346   if (!inSubLoop(BB))
347     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
348       Instruction &I = *II++;
349
350       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
351       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
352       // is safe to hoist the instruction.
353       //
354       if (isLoopInvariantInst(I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
355           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
356         hoist(I);
357       }
358
359   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
360   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
361     HoistRegion(Children[i]);
362 }
363
364 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
365 /// instruction.
366 ///
367 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
368   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
369   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
370     if (LI->isVolatile())
371       return false;        // Don't hoist volatile loads!
372
373     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
374     // in the same alias set as something that ends up being modified.
375     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
376       return true;
377     
378     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
379     unsigned Size = 0;
380     if (LI->getType()->isSized())
381       Size = AA->getTargetData().getTypeStoreSize(LI->getType());
382     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size);
383   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
384     // Handle obvious cases efficiently.
385     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
386     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
387       return true;
388     else if (Behavior == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
389       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
390       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
391       bool FoundMod = false;
392       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
393            I != E; ++I) {
394         AliasSet &AS = *I;
395         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
396           FoundMod = true;
397           break;
398         }
399       }
400       if (!FoundMod) return true;
401     }
402
403     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
404     // the call.
405
406     return false;
407   }
408
409   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
410   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
411          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
412          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
413          isa<ShuffleVectorInst>(I);
414 }
415
416 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
417 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
418 /// exit blocks of the loop.
419 ///
420 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
421   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
422     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
423     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
424       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
425       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
426         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
427           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
428             return false;
429     } else if (CurLoop->contains(User->getParent())) {
430       return false;
431     }
432   }
433   return true;
434 }
435
436
437 /// isLoopInvariantInst - Return true if all operands of this instruction are
438 /// loop invariant.  We also filter out non-hoistable instructions here just for
439 /// efficiency.
440 ///
441 bool LICM::isLoopInvariantInst(Instruction &I) {
442   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
443   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
444     if (!CurLoop->isLoopInvariant(I.getOperand(i)))
445       return false;
446
447   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
448   return true;
449 }
450
451 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
452 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
453 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
454 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
455 ///
456 void LICM::sink(Instruction &I) {
457   DOUT << "LICM sinking instruction: " << I;
458
459   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
460   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
461
462   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
463   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
464   ++NumSunk;
465   Changed = true;
466
467   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
468   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
469   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
470   if (ExitBlocks.size() == 1) {
471     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
472       // Instruction is not used, just delete it.
473       CurAST->deleteValue(&I);
474       if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
475         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
476       I.eraseFromParent();
477     } else {
478       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
479       // nodes in it.
480       I.removeFromParent();
481
482       BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI();
483       ExitBlocks[0]->getInstList().insert(InsertPt, &I);
484     }
485   } else if (ExitBlocks.empty()) {
486     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
487     CurAST->deleteValue(&I);
488     if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
489       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
490     I.eraseFromParent();
491   } else {
492     // Otherwise, if we have multiple exits, use the PromoteMem2Reg function to
493     // do all of the hard work of inserting PHI nodes as necessary.  We convert
494     // the value into a stack object to get it to do this.
495
496     // Firstly, we create a stack object to hold the value...
497     AllocaInst *AI = 0;
498
499     if (I.getType() != Type::VoidTy) {
500       AI = new AllocaInst(I.getType(), 0, I.getName(),
501                           I.getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin());
502       CurAST->add(AI);
503     }
504
505     // Secondly, insert load instructions for each use of the instruction
506     // outside of the loop.
507     while (!I.use_empty()) {
508       Instruction *U = cast<Instruction>(I.use_back());
509
510       // If the user is a PHI Node, we actually have to insert load instructions
511       // in all predecessor blocks, not in the PHI block itself!
512       if (PHINode *UPN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
513         // Only insert into each predecessor once, so that we don't have
514         // different incoming values from the same block!
515         std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedBlocks;
516         for (unsigned i = 0, e = UPN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
517           if (UPN->getIncomingValue(i) == &I) {
518             BasicBlock *Pred = UPN->getIncomingBlock(i);
519             Value *&PredVal = InsertedBlocks[Pred];
520             if (!PredVal) {
521               // Insert a new load instruction right before the terminator in
522               // the predecessor block.
523               PredVal = new LoadInst(AI, "", Pred->getTerminator());
524               CurAST->add(cast<LoadInst>(PredVal));
525             }
526
527             UPN->setIncomingValue(i, PredVal);
528           }
529
530       } else {
531         LoadInst *L = new LoadInst(AI, "", U);
532         U->replaceUsesOfWith(&I, L);
533         CurAST->add(L);
534       }
535     }
536
537     // Thirdly, insert a copy of the instruction in each exit block of the loop
538     // that is dominated by the instruction, storing the result into the memory
539     // location.  Be careful not to insert the instruction into any particular
540     // basic block more than once.
541     std::set<BasicBlock*> InsertedBlocks;
542     BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
543
544     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
545       BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
546
547       if (isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB)) {
548         // If we haven't already processed this exit block, do so now.
549         if (InsertedBlocks.insert(ExitBlock).second) {
550           // Insert the code after the last PHI node...
551           BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
552
553           // If this is the first exit block processed, just move the original
554           // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
555           // the copy.
556           Instruction *New;
557           if (InsertedBlocks.size() == 1) {
558             I.removeFromParent();
559             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, &I);
560             New = &I;
561           } else {
562             New = I.clone();
563             CurAST->copyValue(&I, New);
564             if (!I.getName().empty())
565               New->setName(I.getName()+".le");
566             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
567           }
568
569           // Now that we have inserted the instruction, store it into the alloca
570           if (AI) new StoreInst(New, AI, InsertPt);
571         }
572       }
573     }
574
575     // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
576     if (InsertedBlocks.empty()) {
577       CurAST->deleteValue(&I);
578       I.eraseFromParent();
579     }
580
581     // Finally, promote the fine value to SSA form.
582     if (AI) {
583       std::vector<AllocaInst*> Allocas;
584       Allocas.push_back(AI);
585       PromoteMemToReg(Allocas, *DT, *DF, CurAST);
586     }
587   }
588 }
589
590 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
591 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
592 ///
593 void LICM::hoist(Instruction &I) {
594   DOUT << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": " << I;
595
596   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
597   // instruction.
598   I.removeFromParent();
599
600   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
601   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &I);
602
603   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
604   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
605   ++NumHoisted;
606   Changed = true;
607 }
608
609 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
610 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
611 /// guaranteed to execute.
612 ///
613 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
614   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
615   if (!Inst.isTrapping()) return true;
616
617   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
618   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
619   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
620
621   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
622   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
623   // is a common case, and can save some work, check it now.
624   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
625     return true;
626
627   // It's always safe to load from a global or alloca.
628   if (isa<LoadInst>(Inst))
629     if (isa<AllocationInst>(Inst.getOperand(0)) ||
630         isa<GlobalVariable>(Inst.getOperand(0)))
631       return true;
632
633   // Get the exit blocks for the current loop.
634   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
635   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
636
637   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
638   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
639   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
640     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
641       return false;
642
643   return true;
644 }
645
646
647 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
648 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
649 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
650 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
651 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
652 /// PromoteMem2Reg functionality.
653 ///
654 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
655   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
656   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
657   // pointer.
658   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
659   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
660
661   FindPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
662   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote.
663
664   Changed = true;
665   NumPromoted += PromotedValues.size();
666
667   std::vector<Value*> PointerValueNumbers;
668
669   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
670   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
671   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
672     Value *Ptr = PromotedValues[i].second;
673
674     // If we are promoting a pointer value, update alias information for the
675     // inserted load.
676     Value *LoadValue = 0;
677     if (isa<PointerType>(cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType())) {
678       // Locate a load or store through the pointer, and assign the same value
679       // to LI as we are loading or storing.  Since we know that the value is
680       // stored in this loop, this will always succeed.
681       for (Value::use_iterator UI = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
682            UI != E; ++UI)
683         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
684           LoadValue = LI;
685           break;
686         } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
687           if (SI->getOperand(1) == Ptr) {
688             LoadValue = SI->getOperand(0);
689             break;
690           }
691         }
692       assert(LoadValue && "No store through the pointer found!");
693       PointerValueNumbers.push_back(LoadValue);  // Remember this for later.
694     }
695
696     // Load from the memory we are promoting.
697     LoadInst *LI = new LoadInst(Ptr, Ptr->getName()+".promoted", LoopPredInst);
698
699     if (LoadValue) CurAST->copyValue(LoadValue, LI);
700
701     // Store into the temporary alloca.
702     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
703   }
704
705   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
706   // uses of the allocas in question.
707   //
708   for (Loop::block_iterator I = CurLoop->block_begin(),
709          E = CurLoop->block_end(); I != E; ++I) {
710     BasicBlock *BB = *I;
711     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
712     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
713       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
714         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
715           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
716         if (I != ValueToAllocaMap.end())
717           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
718       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
719         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
720           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
721         if (I != ValueToAllocaMap.end())
722           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
723       }
724     }
725   }
726
727   // Now that the body of the loop uses the allocas instead of the original
728   // memory locations, insert code to copy the alloca value back into the
729   // original memory location on all exits from the loop.  Note that we only
730   // want to insert one copy of the code in each exit block, though the loop may
731   // exit to the same block more than once.
732   //
733   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> ProcessedBlocks;
734
735   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
736   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
737   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
738     if (!ProcessedBlocks.insert(ExitBlocks[i]))
739       continue;
740   
741     // Copy all of the allocas into their memory locations.
742     BasicBlock::iterator BI = ExitBlocks[i]->getFirstNonPHI();
743     Instruction *InsertPos = BI;
744     unsigned PVN = 0;
745     for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
746       // Load from the alloca.
747       LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
748
749       // If this is a pointer type, update alias info appropriately.
750       if (isa<PointerType>(LI->getType()))
751         CurAST->copyValue(PointerValueNumbers[PVN++], LI);
752
753       // Store into the memory we promoted.
754       new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
755     }
756   }
757
758   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
759   // all of the new allocas we just created into real SSA registers.
760   //
761   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
762   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
763   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
764     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
765   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, CurAST);
766 }
767
768 /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
769 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases and are safe
770 /// for promotion.  If these are found, create an alloca for the value, add it 
771 /// to the PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to 
772 /// alloca. 
773 void LICM::FindPromotableValuesInLoop(
774                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
775                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
776   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
777
778   SmallVector<BasicBlock*, 4> ExitingBlocks;
779   CurLoop->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
780
781   // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
782   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
783        I != E; ++I) {
784     AliasSet &AS = *I;
785     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
786     // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
787     // volatile loads or stores.
788     if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
789         AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->first))
790       continue;
791     
792     assert(!AS.empty() &&
793            "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
794     Value *V = AS.begin()->first;
795
796     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
797     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
798     // different sizes.
799     {
800       bool PointerOk = true;
801       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
802         if (V->getType() != I->first->getType()) {
803           PointerOk = false;
804           break;
805         }
806       if (!PointerOk)
807         continue;
808     }
809
810     // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
811     // conditional.  For example, turning:
812     //
813     //    for () { if (c) *P += 1; }
814     //
815     // into:
816     //
817     //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
818     //
819     // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
820     // 
821     // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
822     // least one is guaranteed to be executed.
823     bool GuaranteedToExecute = false;
824     bool InvalidInst = false;
825     for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
826          UI != UE; ++UI) {
827       // Ignore instructions not in this loop.
828       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
829       if (!Use || !CurLoop->contains(Use->getParent()))
830         continue;
831
832       if (!isa<LoadInst>(Use) && !isa<StoreInst>(Use)) {
833         InvalidInst = true;
834         break;
835       }
836       
837       if (!GuaranteedToExecute)
838         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
839     }
840
841     // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
842     // it.  If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't
843     // promote.
844     if (InvalidInst || !GuaranteedToExecute)
845       continue;
846     
847     const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
848     AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
849     PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
850
851     // Update the AST and alias analysis.
852     CurAST->copyValue(V, AI);
853
854     for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
855       ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
856
857     DOUT << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n";
858   }
859 }
860
861 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
862 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
863   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
864   if (!AST)
865     return;
866
867   AST->copyValue(From, To);
868 }
869
870 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
871 /// set.
872 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
873   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
874   if (!AST)
875     return;
876
877   AST->deleteValue(V);
878 }