1673c0f40ffcbb5eb30fdcf6e44373d48c53be21
[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 AAMDNodes &AAInfo) {
184       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
185       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, AAInfo).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     /// \brief Create a copy of the instruction in the exit block and patch up
197     /// SSA.
198     /// PN is a user of I in ExitBlock that can be used to get the number and
199     /// list of predecessors fast.
200     Instruction *CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
201                                              BasicBlock &ExitBlock,
202                                              PHINode &PN);
203   };
204 }
205
206 char LICM::ID = 0;
207 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
208 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
209 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
210 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
211 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
212 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
213 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
214 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
215 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
216
217 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
218
219 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
220 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
221 /// times on one loop.
222 ///
223 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
224   if (skipOptnoneFunction(L))
225     return false;
226
227   Changed = false;
228
229   // Get our Loop and Alias Analysis information...
230   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
231   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
232   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
233
234   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
235   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
236   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
237
238   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop is not in LCSSA form.");
239
240   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
241   // Collect Alias info from subloops.
242   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
243        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
244     Loop *InnerL = *LoopItr;
245     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
246     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
247
248     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
249     CurAST->add(*InnerAST);
250
251     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
252     // subloop's anymore.
253     delete InnerAST;
254     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
255   }
256
257   CurLoop = L;
258
259   // Get the preheader block to move instructions into...
260   Preheader = L->getLoopPreheader();
261
262   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
263   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
264   // subloops.
265   //
266   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
267        I != E; ++I) {
268     BasicBlock *BB = *I;
269     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
270       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
271   }
272
273   MayThrow = false;
274   // TODO: We've already searched for instructions which may throw in subloops.
275   // We may want to reuse this information.
276   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), BBE = L->block_end();
277        (BB != BBE) && !MayThrow ; ++BB)
278     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
279          (I != E) && !MayThrow; ++I)
280       MayThrow |= I->mayThrow();
281
282   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
283   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
284   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
285   // the subloops).
286   //
287   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
288   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
289   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
290   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
291   //
292   if (L->hasDedicatedExits())
293     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
294   if (Preheader)
295     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
296
297   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
298   // memory references to scalars that we can.
299   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
300     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
301     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
302     PredIteratorCache PIC;
303
304     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
305     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
306          I != E; ++I)
307       PromoteAliasSet(*I, ExitBlocks, InsertPts, PIC);
308
309     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
310     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
311     // loop used in the outer loop.
312     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
313     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
314     // it as it went.
315     if (Changed)
316       formLCSSARecursively(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
317   }
318
319   // Check that neither this loop nor its parent have had LCSSA broken. LICM is
320   // specifically moving instructions across the loop boundary and so it is
321   // especially in need of sanity checking here.
322   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop not left in LCSSA form after LICM!");
323   assert((!L->getParentLoop() || L->getParentLoop()->isLCSSAForm(*DT)) &&
324          "Parent loop not left in LCSSA form after LICM!");
325
326   // Clear out loops state information for the next iteration
327   CurLoop = nullptr;
328   Preheader = nullptr;
329
330   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
331   // for when we process the outer loop.
332   if (L->getParentLoop())
333     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
334   else
335     delete CurAST;
336   return Changed;
337 }
338
339 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
340 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
341 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
342 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
343 /// iteration.
344 ///
345 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
346   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
347   BasicBlock *BB = N->getBlock();
348
349   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
350   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
351
352   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
353   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
354   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
355     SinkRegion(Children[i]);
356
357   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
358   // subloop (which would already have been processed).
359   if (inSubLoop(BB)) return;
360
361   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
362     Instruction &I = *--II;
363
364     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
365     // in the loop, instead, just delete it.
366     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
367       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
368       ++II;
369       CurAST->deleteValue(&I);
370       I.eraseFromParent();
371       Changed = true;
372       continue;
373     }
374
375     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
376     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
377     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
378     // operands of the instruction are loop invariant.
379     //
380     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
381       ++II;
382       sink(I);
383     }
384   }
385 }
386
387 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
388 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
389 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
390 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
391 ///
392 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
393   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
394   BasicBlock *BB = N->getBlock();
395
396   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
397   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
398
399   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
400   // subloop (which would already have been processed).
401   if (!inSubLoop(BB))
402     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
403       Instruction &I = *II++;
404
405       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
406       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
407       // fold it.
408       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, DL, TLI)) {
409         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
410         CurAST->copyValue(&I, C);
411         CurAST->deleteValue(&I);
412         I.replaceAllUsesWith(C);
413         I.eraseFromParent();
414         continue;
415       }
416
417       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
418       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
419       // is safe to hoist the instruction.
420       //
421       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
422           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
423         hoist(I);
424     }
425
426   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
427   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
428     HoistRegion(Children[i]);
429 }
430
431 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
432 /// instruction.
433 ///
434 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
435   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
436   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
437     if (!LI->isUnordered())
438       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
439
440     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
441     // in the same alias set as something that ends up being modified.
442     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
443       return true;
444     if (LI->getMetadata("invariant.load"))
445       return true;
446
447     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
448     uint64_t Size = 0;
449     if (LI->getType()->isSized())
450       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
451
452     AAMDNodes AAInfo;
453     LI->getAAMetadata(AAInfo);
454
455     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size, AAInfo);
456   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
457     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
458     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
459       return false;
460
461     // Handle simple cases by querying alias analysis.
462     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
463     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
464       return true;
465     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
466       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
467       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
468       bool FoundMod = false;
469       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
470            I != E; ++I) {
471         AliasSet &AS = *I;
472         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
473           FoundMod = true;
474           break;
475         }
476       }
477       if (!FoundMod) return true;
478     }
479
480     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
481     // sink the call.
482
483     return false;
484   }
485
486   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
487   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
488       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
489       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
490       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
491       !isa<InsertValueInst>(I))
492     return false;
493
494   return isSafeToExecuteUnconditionally(I);
495 }
496
497 /// \brief Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
498 /// Instruction.
499 ///
500 /// This is true when all incoming values are that instruction. This pattern
501 /// occurs most often with LCSSA PHI nodes.
502 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
503   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
504     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
505       return false;
506
507   return true;
508 }
509
510 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
511 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
512 /// exit blocks of the loop.
513 ///
514 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
515   for (User *U : I.users()) {
516     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
517     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
518       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
519       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
520       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
521       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
522       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
523         if (CurLoop->contains(PN))
524           return false;
525         else
526           continue;
527       }
528
529       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
530       // values. Check for such a use being inside the loop.
531       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
532         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
533           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
534             return false;
535
536       continue;
537     }
538
539     if (CurLoop->contains(UI))
540       return false;
541   }
542   return true;
543 }
544
545 Instruction *LICM::CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
546                                                BasicBlock &ExitBlock,
547                                                PHINode &PN) {
548   Instruction *New = I.clone();
549   ExitBlock.getInstList().insert(ExitBlock.getFirstInsertionPt(), New);
550   if (!I.getName().empty()) New->setName(I.getName() + ".le");
551
552   // Build LCSSA PHI nodes for any in-loop operands. Note that this is
553   // particularly cheap because we can rip off the PHI node that we're
554   // replacing for the number and blocks of the predecessors.
555   // OPT: If this shows up in a profile, we can instead finish sinking all
556   // invariant instructions, and then walk their operands to re-establish
557   // LCSSA. That will eliminate creating PHI nodes just to nuke them when
558   // sinking bottom-up.
559   for (User::op_iterator OI = New->op_begin(), OE = New->op_end(); OI != OE;
560        ++OI)
561     if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
562       if (Loop *OLoop = LI->getLoopFor(OInst->getParent()))
563         if (!OLoop->contains(&PN)) {
564           PHINode *OpPN =
565               PHINode::Create(OInst->getType(), PN.getNumIncomingValues(),
566                               OInst->getName() + ".lcssa", ExitBlock.begin());
567           for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
568             OpPN->addIncoming(OInst, PN.getIncomingBlock(i));
569           *OI = OpPN;
570         }
571   return New;
572 }
573
574 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
575 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
576 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
577 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
578 ///
579 void LICM::sink(Instruction &I) {
580   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
581
582   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
583   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
584   ++NumSunk;
585   Changed = true;
586
587 #ifndef NDEBUG
588   SmallVector<BasicBlock *, 32> ExitBlocks;
589   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
590   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
591 #endif
592
593   // Clones of this instruction. Don't create more than one per exit block!
594   SmallDenseMap<BasicBlock *, Instruction *, 32> SunkCopies;
595
596   // If this instruction is only used outside of the loop, then all users are
597   // PHI nodes in exit blocks due to LCSSA form. Just RAUW them with clones of
598   // the instruction.
599   while (!I.use_empty()) {
600     // The user must be a PHI node.
601     PHINode *PN = cast<PHINode>(I.user_back());
602
603     BasicBlock *ExitBlock = PN->getParent();
604     assert(ExitBlockSet.count(ExitBlock) &&
605            "The LCSSA PHI is not in an exit block!");
606
607     Instruction *New;
608     auto It = SunkCopies.find(ExitBlock);
609     if (It != SunkCopies.end())
610       New = It->second;
611     else
612       New = SunkCopies[ExitBlock] =
613           CloneInstructionInExitBlock(I, *ExitBlock, *PN);
614
615     PN->replaceAllUsesWith(New);
616     PN->eraseFromParent();
617   }
618
619   CurAST->deleteValue(&I);
620   I.eraseFromParent();
621 }
622
623 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
624 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
625 ///
626 void LICM::hoist(Instruction &I) {
627   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
628         << I << "\n");
629
630   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
631   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
632
633   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
634   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
635   ++NumHoisted;
636   Changed = true;
637 }
638
639 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
640 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
641 /// guaranteed to execute.
642 ///
643 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
644   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
645   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst, DL))
646     return true;
647
648   return isGuaranteedToExecute(Inst);
649 }
650
651 bool LICM::isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst) {
652
653   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
654   // exit the loop.
655   if (MayThrow)
656     return false;
657
658   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
659   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
660   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
661
662   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
663   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
664   // is a common case, and can save some work, check it now.
665   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
666     return true;
667
668   // Get the exit blocks for the current loop.
669   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
670   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
671
672   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
673   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
674     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
675       return false;
676
677   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
678   // proven anything since there are no exit blocks.
679   if (ExitBlocks.empty())
680     return false;
681
682   return true;
683 }
684
685 namespace {
686   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
687     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
688     SmallPtrSet<Value*, 4> &PointerMustAliases;
689     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
690     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
691     PredIteratorCache &PredCache;
692     AliasSetTracker &AST;
693     LoopInfo &LI;
694     DebugLoc DL;
695     int Alignment;
696     AAMDNodes AATags;
697
698     Value *maybeInsertLCSSAPHI(Value *V, BasicBlock *BB) const {
699       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
700         if (Loop *L = LI.getLoopFor(I->getParent()))
701           if (!L->contains(BB)) {
702             // We need to create an LCSSA PHI node for the incoming value and
703             // store that.
704             PHINode *PN = PHINode::Create(
705                 I->getType(), PredCache.GetNumPreds(BB),
706                 I->getName() + ".lcssa", BB->begin());
707             for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(BB); *PI; ++PI)
708               PN->addIncoming(I, *PI);
709             return PN;
710           }
711       return V;
712     }
713
714   public:
715     LoopPromoter(Value *SP, const SmallVectorImpl<Instruction *> &Insts,
716                  SSAUpdater &S, SmallPtrSet<Value *, 4> &PMA,
717                  SmallVectorImpl<BasicBlock *> &LEB,
718                  SmallVectorImpl<Instruction *> &LIP, PredIteratorCache &PIC,
719                  AliasSetTracker &ast, LoopInfo &li, DebugLoc dl, int alignment,
720                  const AAMDNodes &AATags)
721         : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP), PointerMustAliases(PMA),
722           LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP), PredCache(PIC), AST(ast),
723           LI(li), DL(dl), Alignment(alignment), AATags(AATags) {}
724
725     bool isInstInList(Instruction *I,
726                       const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const override {
727       Value *Ptr;
728       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
729         Ptr = LI->getOperand(0);
730       else
731         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
732       return PointerMustAliases.count(Ptr);
733     }
734
735     void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const override {
736       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
737       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
738       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
739       // definition, it is all set and we can start using it.
740       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
741         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
742         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
743         LiveInValue = maybeInsertLCSSAPHI(LiveInValue, ExitBlock);
744         Value *Ptr = maybeInsertLCSSAPHI(SomePtr, ExitBlock);
745         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
746         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, Ptr, InsertPos);
747         NewSI->setAlignment(Alignment);
748         NewSI->setDebugLoc(DL);
749         if (AATags) NewSI->setAAMetadata(AATags);
750       }
751     }
752
753     void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const override {
754       // Update alias analysis.
755       AST.copyValue(LI, V);
756     }
757     void instructionDeleted(Instruction *I) const override {
758       AST.deleteValue(I);
759     }
760   };
761 } // end anon namespace
762
763 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
764 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
765 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
766 /// which are loop invariant.
767 ///
768 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
769                            SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
770                            SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
771                            PredIteratorCache &PIC) {
772   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
773   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
774   // volatile loads or stores.
775   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
776       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
777     return;
778
779   assert(!AS.empty() &&
780          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
781   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
782
783   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
784   // conditional.  For example, turning:
785   //
786   //    for () { if (c) *P += 1; }
787   //
788   // into:
789   //
790   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
791   //
792   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
793   //
794   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
795   // least one is guaranteed to be executed.
796   bool GuaranteedToExecute = false;
797
798   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
799   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
800
801   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
802   // us to prove better alignment.
803   unsigned Alignment = 1;
804   AAMDNodes AATags;
805
806   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
807   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
808   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and AA info.
809   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
810     Value *ASIV = ASI->getValue();
811     PointerMustAliases.insert(ASIV);
812
813     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
814     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
815     // different sizes.
816     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
817       return;
818
819     for (User *U : ASIV->users()) {
820       // Ignore instructions that are outside the loop.
821       Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
822       if (!UI || !CurLoop->contains(UI))
823         continue;
824
825       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
826       // it.
827       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
828         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
829         if (!load->isSimple())
830           return;
831       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
832         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
833         // pointer.
834         if (UI->getOperand(1) != ASIV)
835           continue;
836         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
837         if (!store->isSimple())
838           return;
839
840         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
841         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
842         // (which would break the LLVM concurrency model).
843
844         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
845         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
846         // instruction will be executed, update the alignment.
847         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
848         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
849         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
850           if (isGuaranteedToExecute(*UI)) {
851             GuaranteedToExecute = true;
852             Alignment = InstAlignment;
853           }
854
855         if (!GuaranteedToExecute)
856           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*UI);
857
858       } else
859         return; // Not a load or store.
860
861       // Merge the AA tags.
862       if (LoopUses.empty()) {
863         // On the first load/store, just take its AA tags.
864         UI->getAAMetadata(AATags);
865       } else if (AATags) {
866         UI->getAAMetadata(AATags, /* Merge = */ true);
867       }
868
869       LoopUses.push_back(UI);
870     }
871   }
872
873   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
874   if (!GuaranteedToExecute)
875     return;
876
877   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
878   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
879   Changed = true;
880   ++NumPromoted;
881
882   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
883   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
884   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
885   // location is better than none.
886   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
887
888   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
889   // first promotion.
890   if (ExitBlocks.empty()) {
891     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
892     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
893     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
894       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
895   }
896
897   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
898   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
899   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
900   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
901                         InsertPts, PIC, *CurAST, *LI, DL, Alignment, AATags);
902
903   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
904   // value from the preheader that uses in the loop will use.
905   LoadInst *PreheaderLoad =
906     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
907                  Preheader->getTerminator());
908   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
909   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
910   if (AATags) PreheaderLoad->setAAMetadata(AATags);
911   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
912
913   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
914   // stores in the loop.
915   Promoter.run(LoopUses);
916
917   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
918   if (PreheaderLoad->use_empty())
919     PreheaderLoad->eraseFromParent();
920 }
921
922
923 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
924 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
925   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
926   if (!AST)
927     return;
928
929   AST->copyValue(From, To);
930 }
931
932 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
933 /// set.
934 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
935   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
936   if (!AST)
937     return;
938
939   AST->deleteValue(V);
940 }