45bd122e07250eb1c9d4995d3b28579da9b2acc6
[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/Module.h"
52 #include "llvm/IR/PredIteratorCache.h"
53 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
54 #include "llvm/Support/Debug.h"
55 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
56 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
57 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
60 #include <algorithm>
61 using namespace llvm;
62
63 #define DEBUG_TYPE "licm"
64
65 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
66 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
67 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
68 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
69 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
70
71 static cl::opt<bool>
72 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
73                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
74
75 static bool inSubLoop(BasicBlock *BB, Loop *CurLoop, LoopInfo *LI);
76 static bool isNotUsedInLoop(Instruction &I, Loop *CurLoop);
77 static bool hoist(Instruction &I, BasicBlock *Preheader);
78 static bool sink(Instruction &I, LoopInfo *LI, DominatorTree *DT, 
79                  Loop *CurLoop, AliasSetTracker *CurAST );
80 static bool isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst, DominatorTree *DT, 
81                                   Loop *CurLoop, LICMSafetyInfo * SafetyInfo); 
82 static bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst,DominatorTree *DT, 
83                                            const DataLayout *DL, Loop *CurLoop,
84                                            LICMSafetyInfo * SafetyInfo);
85 static bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
86                                      const AAMDNodes &AAInfo, 
87                                      AliasSetTracker *CurAST);
88 static Instruction *CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
89                                                 BasicBlock &ExitBlock,
90                                                 PHINode &PN, LoopInfo *LI);
91 static bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I, AliasAnalysis *AA, 
92                                DominatorTree *DT, const DataLayout *DL, 
93                                Loop *CurLoop, AliasSetTracker *CurAST, 
94                                LICMSafetyInfo * SafetyInfo);
95
96 namespace {
97   struct LICM : public LoopPass {
98     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
99     LICM() : LoopPass(ID) {
100       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
101     }
102
103     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
104
105     /// This transformation requires natural loop information & requires that
106     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
107     ///
108     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
109       AU.setPreservesCFG();
110       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
111       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
112       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
113       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
114       AU.addRequiredID(LCSSAID);
115       AU.addPreservedID(LCSSAID);
116       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
117       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
118       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
119       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
120     }
121
122     using llvm::Pass::doFinalization;
123
124     bool doFinalization() override {
125       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
126       return false;
127     }
128
129   private:
130     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
131     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
132     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
133
134     const DataLayout *DL;    // DataLayout for constant folding.
135     TargetLibraryInfo *TLI;  // TargetLibraryInfo for constant folding.
136
137     // State that is updated as we process loops.
138     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
139     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
140     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
141     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
142     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
143
144     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
145     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To,
146                                  Loop *L) override;
147
148     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
149     /// set.
150     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) override;
151
152     /// Simple Analysis hook. Delete loop L from alias set map.
153     void deleteAnalysisLoop(Loop *L) override;
154   };
155 }
156
157 char LICM::ID = 0;
158 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
159 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
160 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
161 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
162 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
163 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
164 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
165 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
166 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
167
168 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
169
170 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
171 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
172 /// times on one loop.
173 ///
174 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
175   if (skipOptnoneFunction(L))
176     return false;
177
178   Changed = false;
179
180   // Get our Loop and Alias Analysis information...
181   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
182   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
183   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
184
185   DL = &L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
186   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
187
188   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop is not in LCSSA form.");
189
190   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
191   // Collect Alias info from subloops.
192   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
193        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
194     Loop *InnerL = *LoopItr;
195     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
196     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
197
198     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
199     CurAST->add(*InnerAST);
200
201     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
202     // subloop's anymore.
203     delete InnerAST;
204     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
205   }
206
207   CurLoop = L;
208
209   // Get the preheader block to move instructions into...
210   Preheader = L->getLoopPreheader();
211
212   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
213   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
214   // subloops.
215   //
216   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
217        I != E; ++I) {
218     BasicBlock *BB = *I;
219     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
220       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
221   }
222
223   // Compute loop safety information.
224   LICMSafetyInfo SafetyInfo;
225   computeLICMSafetyInfo(&SafetyInfo, CurLoop);
226
227   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
228   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
229   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
230   // the subloops).
231   //
232   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
233   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
234   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
235   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
236   //
237   if (L->hasDedicatedExits())
238     Changed |= sinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()), AA, LI, DT, DL, TLI, 
239                           CurLoop, CurAST, &SafetyInfo);
240   if (Preheader)
241     Changed |= hoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()), AA, LI, DT, DL, TLI, 
242                            CurLoop, CurAST, &SafetyInfo);
243
244   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
245   // memory references to scalars that we can.
246   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
247     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
248     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
249     PredIteratorCache PIC;
250
251     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
252     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
253          I != E; ++I)
254       Changed |= promoteLoopAccessesToScalars(*I, ExitBlocks, InsertPts, 
255                                               PIC, LI, DT, CurLoop, 
256                                               CurAST, &SafetyInfo);
257
258     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
259     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
260     // loop used in the outer loop.
261     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
262     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
263     // it as it went.
264     if (Changed)
265       formLCSSARecursively(*L, *DT, LI,
266                            getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
267   }
268
269   // Check that neither this loop nor its parent have had LCSSA broken. LICM is
270   // specifically moving instructions across the loop boundary and so it is
271   // especially in need of sanity checking here.
272   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop not left in LCSSA form after LICM!");
273   assert((!L->getParentLoop() || L->getParentLoop()->isLCSSAForm(*DT)) &&
274          "Parent loop not left in LCSSA form after LICM!");
275
276   // Clear out loops state information for the next iteration
277   CurLoop = nullptr;
278   Preheader = nullptr;
279
280   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
281   // for when we process the outer loop.
282   if (L->getParentLoop())
283     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
284   else
285     delete CurAST;
286   return Changed;
287 }
288
289 /// Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks dominated by
290 /// the specified block, and that are in the current loop) in reverse depth 
291 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit uses before
292 /// definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without iteration.
293 ///
294 bool llvm::sinkRegion(DomTreeNode *N, AliasAnalysis *AA, LoopInfo *LI, 
295                       DominatorTree *DT, const DataLayout *DL, 
296                       TargetLibraryInfo *TLI, Loop *CurLoop, 
297                       AliasSetTracker *CurAST, LICMSafetyInfo * SafetyInfo) { 
298
299   // Verify inputs.
300   assert(N != nullptr && AA != nullptr && LI != nullptr && 
301          DT != nullptr && CurLoop != nullptr && CurAST != nullptr && 
302          SafetyInfo != nullptr && "Unexpected input to sinkRegion");
303
304   // Set changed as false.
305   bool Changed = false;
306   // Get basic block
307   BasicBlock *BB = N->getBlock();
308   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
309   if (!CurLoop->contains(BB)) return Changed;
310
311   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
312   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
313   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
314     Changed |= sinkRegion(Children[i], AA, LI, DT, DL, TLI, CurLoop, 
315                           CurAST, SafetyInfo);
316   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
317   // subloop (which would already have been processed).
318   if (inSubLoop(BB,CurLoop,LI)) return Changed;
319
320   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
321     Instruction &I = *--II;
322
323     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
324     // in the loop, instead, just delete it.
325     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
326       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
327       ++II;
328       CurAST->deleteValue(&I);
329       I.eraseFromParent();
330       Changed = true;
331       continue;
332     }
333
334     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
335     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
336     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
337     // operands of the instruction are loop invariant.
338     //
339     if (isNotUsedInLoop(I, CurLoop) && 
340         canSinkOrHoistInst(I, AA, DT, DL, CurLoop, CurAST, SafetyInfo)) {
341       ++II;
342       Changed |= sink(I, LI, DT, CurLoop, CurAST);
343     }
344   }
345   return Changed;
346 }
347
348 /// Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks dominated by
349 /// the specified block, and that are in the current loop) in depth first
350 /// order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions before
351 /// uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
352 ///
353 bool llvm::hoistRegion(DomTreeNode *N, AliasAnalysis *AA, LoopInfo *LI, 
354                        DominatorTree *DT, const DataLayout *DL, 
355                        TargetLibraryInfo *TLI, Loop *CurLoop,
356                        AliasSetTracker *CurAST, LICMSafetyInfo *SafetyInfo) { 
357   // Verify inputs.
358   assert(N != nullptr && AA != nullptr && LI != nullptr && 
359          DT != nullptr && CurLoop != nullptr && CurAST != nullptr && 
360          SafetyInfo != nullptr && "Unexpected input to hoistRegion");
361   // Set changed as false.
362   bool Changed = false;
363   // Get basic block
364   BasicBlock *BB = N->getBlock();
365   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
366   if (!CurLoop->contains(BB)) return Changed;
367   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
368   // subloop (which would already have been processed).
369   if (!inSubLoop(BB, CurLoop, LI))
370     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
371       Instruction &I = *II++;
372       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
373       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
374       // fold it.
375       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, DL, TLI)) {
376         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
377         CurAST->copyValue(&I, C);
378         CurAST->deleteValue(&I);
379         I.replaceAllUsesWith(C);
380         I.eraseFromParent();
381         continue;
382       }
383
384       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
385       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
386       // is safe to hoist the instruction.
387       //
388       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && 
389           canSinkOrHoistInst(I, AA, DT, DL, CurLoop, CurAST, SafetyInfo) &&
390           isSafeToExecuteUnconditionally(I, DT, DL, CurLoop, SafetyInfo))
391         Changed |= hoist(I, CurLoop->getLoopPreheader());
392     }
393
394   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
395   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
396     Changed |= hoistRegion(Children[i], AA, LI, DT, DL, TLI, CurLoop, 
397                            CurAST, SafetyInfo); 
398   return Changed;
399 }
400
401 /// Computes loop safety information, checks loop body & header
402 /// for the possiblity of may throw exception.
403 ///
404 void llvm::computeLICMSafetyInfo(LICMSafetyInfo * SafetyInfo, Loop * CurLoop) {
405   assert(CurLoop != nullptr && "CurLoop cant be null");
406   BasicBlock *Header = CurLoop->getHeader();
407   // Setting default safety values.
408   SafetyInfo->MayThrow = false;
409   SafetyInfo->HeaderMayThrow = false;
410   // Iterate over header and compute dafety info.
411   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end();
412        (I != E) && !SafetyInfo->HeaderMayThrow; ++I)
413     SafetyInfo->HeaderMayThrow |= I->mayThrow();
414   
415   SafetyInfo->MayThrow = SafetyInfo->HeaderMayThrow;
416   // Iterate over loop instructions and compute safety info. 
417   for (Loop::block_iterator BB = CurLoop->block_begin(), 
418        BBE = CurLoop->block_end(); (BB != BBE) && !SafetyInfo->MayThrow ; ++BB)
419     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
420          (I != E) && !SafetyInfo->MayThrow; ++I)
421       SafetyInfo->MayThrow |= I->mayThrow();
422 }
423
424 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
425 /// instruction.
426 ///
427 bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I, AliasAnalysis *AA, 
428                         DominatorTree *DT, const DataLayout *DL, 
429                         Loop *CurLoop, AliasSetTracker *CurAST, 
430                         LICMSafetyInfo * SafetyInfo) {
431   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
432   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
433     if (!LI->isUnordered())
434       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
435
436     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
437     // in the same alias set as something that ends up being modified.
438     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
439       return true;
440     if (LI->getMetadata(LLVMContext::MD_invariant_load))
441       return true;
442
443     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
444     uint64_t Size = 0;
445     if (LI->getType()->isSized())
446       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
447
448     AAMDNodes AAInfo;
449     LI->getAAMetadata(AAInfo);
450
451     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size, AAInfo, CurAST);
452   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
453     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
454     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
455       return false;
456
457     // Handle simple cases by querying alias analysis.
458     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
459     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
460       return true;
461     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
462       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
463       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
464       bool FoundMod = false;
465       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
466            I != E; ++I) {
467         AliasSet &AS = *I;
468         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
469           FoundMod = true;
470           break;
471         }
472       }
473       if (!FoundMod) return true;
474     }
475
476     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
477     // sink the call.
478
479     return false;
480   }
481
482   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
483   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
484       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
485       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
486       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
487       !isa<InsertValueInst>(I))
488     return false;
489
490   return isSafeToExecuteUnconditionally(I, DT, DL, CurLoop, SafetyInfo);
491 }
492
493 /// Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
494 /// Instruction.
495 /// This is true when all incoming values are that instruction.
496 /// This pattern occurs most often with LCSSA PHI nodes.
497 ///
498 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
499   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
500     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
501       return false;
502
503   return true;
504 }
505
506 /// Return true if the only users of this instruction are outside of
507 /// the loop. If this is true, we can sink the instruction to the exit
508 /// blocks of the loop.
509 ///
510 static bool isNotUsedInLoop(Instruction &I, Loop *CurLoop) {
511   for (User *U : I.users()) {
512     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
513     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
514       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
515       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
516       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
517       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
518       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
519         if (CurLoop->contains(PN))
520           return false;
521         else
522           continue;
523       }
524
525       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
526       // values. Check for such a use being inside the loop.
527       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
528         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
529           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
530             return false;
531
532       continue;
533     }
534
535     if (CurLoop->contains(UI))
536       return false;
537   }
538   return true;
539 }
540
541 static Instruction *CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
542                                                 BasicBlock &ExitBlock,
543                                                 PHINode &PN, LoopInfo *LI) {
544   Instruction *New = I.clone();
545   ExitBlock.getInstList().insert(ExitBlock.getFirstInsertionPt(), New);
546   if (!I.getName().empty()) New->setName(I.getName() + ".le");
547
548   // Build LCSSA PHI nodes for any in-loop operands. Note that this is
549   // particularly cheap because we can rip off the PHI node that we're
550   // replacing for the number and blocks of the predecessors.
551   // OPT: If this shows up in a profile, we can instead finish sinking all
552   // invariant instructions, and then walk their operands to re-establish
553   // LCSSA. That will eliminate creating PHI nodes just to nuke them when
554   // sinking bottom-up.
555   for (User::op_iterator OI = New->op_begin(), OE = New->op_end(); OI != OE;
556        ++OI)
557     if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
558       if (Loop *OLoop = LI->getLoopFor(OInst->getParent()))
559         if (!OLoop->contains(&PN)) {
560           PHINode *OpPN =
561               PHINode::Create(OInst->getType(), PN.getNumIncomingValues(),
562                               OInst->getName() + ".lcssa", ExitBlock.begin());
563           for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
564             OpPN->addIncoming(OInst, PN.getIncomingBlock(i));
565           *OI = OpPN;
566         }
567   return New;
568 }
569
570 /// When an instruction is found to only be used outside of the loop, this
571 /// function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
572 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
573 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
574 ///
575 static bool sink(Instruction &I, LoopInfo *LI, DominatorTree *DT, 
576                  Loop *CurLoop, AliasSetTracker *CurAST ) {
577   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
578   bool Changed = false;
579   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
580   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
581   ++NumSunk;
582   Changed = true;
583
584 #ifndef NDEBUG
585   SmallVector<BasicBlock *, 32> ExitBlocks;
586   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
587   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), 
588                                              ExitBlocks.end());
589 #endif
590
591   // Clones of this instruction. Don't create more than one per exit block!
592   SmallDenseMap<BasicBlock *, Instruction *, 32> SunkCopies;
593
594   // If this instruction is only used outside of the loop, then all users are
595   // PHI nodes in exit blocks due to LCSSA form. Just RAUW them with clones of
596   // the instruction.
597   while (!I.use_empty()) {
598     Instruction *User = I.user_back();
599     if (!DT->isReachableFromEntry(User->getParent())) {
600       User->replaceUsesOfWith(&I, UndefValue::get(I.getType()));
601       continue;
602     }
603     // The user must be a PHI node.
604     PHINode *PN = cast<PHINode>(User);
605
606     BasicBlock *ExitBlock = PN->getParent();
607     assert(ExitBlockSet.count(ExitBlock) &&
608            "The LCSSA PHI is not in an exit block!");
609
610     Instruction *New;
611     auto It = SunkCopies.find(ExitBlock);
612     if (It != SunkCopies.end())
613       New = It->second;
614     else
615       New = SunkCopies[ExitBlock] =
616             CloneInstructionInExitBlock(I, *ExitBlock, *PN, LI);
617
618     PN->replaceAllUsesWith(New);
619     PN->eraseFromParent();
620   }
621
622   CurAST->deleteValue(&I);
623   I.eraseFromParent();
624   return Changed;
625 }
626
627 /// When an instruction is found to only use loop invariant operands that
628 /// is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
629 ///
630 static bool hoist(Instruction &I, BasicBlock *Preheader) {
631   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
632         << I << "\n");
633   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
634   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
635
636   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
637   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
638   ++NumHoisted;
639   return true;
640 }
641
642 /// Only sink or hoist an instruction if it is not a trapping instruction
643 /// or if it is a trapping instruction and is guaranteed to execute.
644 ///
645 static bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst, DominatorTree *DT,
646                                            const DataLayout *DL, Loop *CurLoop, 
647                                            LICMSafetyInfo * SafetyInfo) {
648   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
649   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst, DL))
650     return true;
651
652   return isGuaranteedToExecute(Inst, DT, CurLoop, SafetyInfo);
653 }
654
655 static bool isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst, DominatorTree *DT, 
656                                   Loop *CurLoop, LICMSafetyInfo * SafetyInfo) {
657
658   // 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     // If there's a throw in the header block, we can't guarantee we'll reach
667     // Inst.
668     return !SafetyInfo->HeaderMayThrow;
669
670   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
671   // exit the loop.
672   if (SafetyInfo->MayThrow)
673     return false;
674
675   // Get the exit blocks for the current loop.
676   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
677   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
678
679   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
680   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
681     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
682       return false;
683
684   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
685   // proven anything since there are no exit blocks.
686   if (ExitBlocks.empty())
687     return false;
688
689   return true;
690 }
691
692 namespace {
693   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
694     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
695     SmallPtrSetImpl<Value*> &PointerMustAliases;
696     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
697     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
698     PredIteratorCache &PredCache;
699     AliasSetTracker &AST;
700     LoopInfo &LI;
701     DebugLoc DL;
702     int Alignment;
703     AAMDNodes AATags;
704
705     Value *maybeInsertLCSSAPHI(Value *V, BasicBlock *BB) const {
706       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
707         if (Loop *L = LI.getLoopFor(I->getParent()))
708           if (!L->contains(BB)) {
709             // We need to create an LCSSA PHI node for the incoming value and
710             // store that.
711             PHINode *PN = PHINode::Create(
712                 I->getType(), PredCache.GetNumPreds(BB),
713                 I->getName() + ".lcssa", BB->begin());
714             for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(BB); *PI; ++PI)
715               PN->addIncoming(I, *PI);
716             return PN;
717           }
718       return V;
719     }
720
721   public:
722     LoopPromoter(Value *SP, const SmallVectorImpl<Instruction *> &Insts,
723                  SSAUpdater &S, SmallPtrSetImpl<Value *> &PMA,
724                  SmallVectorImpl<BasicBlock *> &LEB,
725                  SmallVectorImpl<Instruction *> &LIP, PredIteratorCache &PIC,
726                  AliasSetTracker &ast, LoopInfo &li, DebugLoc dl, int alignment,
727                  const AAMDNodes &AATags)
728         : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP), PointerMustAliases(PMA),
729           LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP), PredCache(PIC), AST(ast),
730           LI(li), DL(dl), Alignment(alignment), AATags(AATags) {}
731
732     bool isInstInList(Instruction *I,
733                       const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const override {
734       Value *Ptr;
735       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
736         Ptr = LI->getOperand(0);
737       else
738         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
739       return PointerMustAliases.count(Ptr);
740     }
741
742     void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const override {
743       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
744       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
745       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
746       // definition, it is all set and we can start using it.
747       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
748         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
749         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
750         LiveInValue = maybeInsertLCSSAPHI(LiveInValue, ExitBlock);
751         Value *Ptr = maybeInsertLCSSAPHI(SomePtr, ExitBlock);
752         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
753         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, Ptr, InsertPos);
754         NewSI->setAlignment(Alignment);
755         NewSI->setDebugLoc(DL);
756         if (AATags) NewSI->setAAMetadata(AATags);
757       }
758     }
759
760     void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const override {
761       // Update alias analysis.
762       AST.copyValue(LI, V);
763     }
764     void instructionDeleted(Instruction *I) const override {
765       AST.deleteValue(I);
766     }
767   };
768 } // end anon namespace
769
770 /// Try to promote memory values to scalars by sinking stores out of the
771 /// loop and moving loads to before the loop.  We do this by looping over
772 /// the stores in the loop, looking for stores to Must pointers which are
773 /// loop invariant.
774 ///
775 bool llvm::promoteLoopAccessesToScalars(AliasSet &AS,
776                                         SmallVectorImpl<BasicBlock*>&ExitBlocks,
777                                         SmallVectorImpl<Instruction*>&InsertPts,
778                                         PredIteratorCache &PIC, LoopInfo *LI, 
779                                         DominatorTree *DT, Loop *CurLoop, 
780                                         AliasSetTracker *CurAST, 
781                                         LICMSafetyInfo * SafetyInfo) { 
782   // Verify inputs.
783   assert(LI != nullptr && DT != nullptr && 
784          CurLoop != nullptr && CurAST != nullptr && 
785          SafetyInfo != nullptr && 
786          "Unexpected Input to promoteLoopAccessesToScalars");
787   // Initially set Changed status to false.
788   bool Changed = false;
789   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
790   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
791   // volatile loads or stores.
792   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
793       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
794     return Changed;
795
796   assert(!AS.empty() &&
797          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
798
799   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
800   BasicBlock * Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
801
802   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
803   // conditional.  For example, turning:
804   //
805   //    for () { if (c) *P += 1; }
806   //
807   // into:
808   //
809   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
810   //
811   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
812   //
813   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
814   // least one is guaranteed to be executed.
815   bool GuaranteedToExecute = false;
816
817   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
818   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
819
820   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
821   // us to prove better alignment.
822   unsigned Alignment = 1;
823   AAMDNodes AATags;
824   bool HasDedicatedExits = CurLoop->hasDedicatedExits();
825
826   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
827   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
828   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and AA info.
829   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
830     Value *ASIV = ASI->getValue();
831     PointerMustAliases.insert(ASIV);
832
833     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
834     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
835     // different sizes.
836     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
837       return Changed;
838
839     for (User *U : ASIV->users()) {
840       // Ignore instructions that are outside the loop.
841       Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
842       if (!UI || !CurLoop->contains(UI))
843         continue;
844
845       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
846       // it.
847       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
848         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
849         if (!load->isSimple())
850           return Changed;
851       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
852         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
853         // pointer.
854         if (UI->getOperand(1) != ASIV)
855           continue;
856         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
857         if (!store->isSimple())
858           return Changed;
859         // Don't sink stores from loops without dedicated block exits. Exits
860         // containing indirect branches are not transformed by loop simplify,
861         // make sure we catch that. An additional load may be generated in the
862         // preheader for SSA updater, so also avoid sinking when no preheader
863         // is available.
864         if (!HasDedicatedExits || !Preheader)
865           return Changed;
866
867         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
868         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
869         // (which would break the LLVM concurrency model).
870
871         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
872         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
873         // instruction will be executed, update the alignment.
874         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
875         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
876         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
877           if (isGuaranteedToExecute(*UI, DT, CurLoop, SafetyInfo)) {
878             GuaranteedToExecute = true;
879             Alignment = InstAlignment;
880           }
881
882         if (!GuaranteedToExecute)
883           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*UI, DT, 
884                                                       CurLoop, SafetyInfo);
885
886       } else
887         return Changed; // Not a load or store.
888
889       // Merge the AA tags.
890       if (LoopUses.empty()) {
891         // On the first load/store, just take its AA tags.
892         UI->getAAMetadata(AATags);
893       } else if (AATags) {
894         UI->getAAMetadata(AATags, /* Merge = */ true);
895       }
896
897       LoopUses.push_back(UI);
898     }
899   }
900
901   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
902   if (!GuaranteedToExecute)
903     return Changed;
904
905   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
906   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
907   Changed = true;
908   ++NumPromoted;
909
910   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
911   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
912   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
913   // location is better than none.
914   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
915
916   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
917   // first promotion.
918   if (ExitBlocks.empty()) {
919     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
920     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
921     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
922       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
923   }
924
925   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
926   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
927   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
928   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
929                         InsertPts, PIC, *CurAST, *LI, DL, Alignment, AATags);
930
931   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
932   // value from the preheader that uses in the loop will use.
933   LoadInst *PreheaderLoad =
934     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
935                  Preheader->getTerminator());
936   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
937   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
938   if (AATags) PreheaderLoad->setAAMetadata(AATags);
939   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
940
941   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
942   // stores in the loop.
943   Promoter.run(LoopUses);
944
945   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
946   if (PreheaderLoad->use_empty())
947     PreheaderLoad->eraseFromParent();
948
949   return Changed;
950 }
951
952 /// Simple Analysis hook. Clone alias set info.
953 ///
954 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
955   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
956   if (!AST)
957     return;
958
959   AST->copyValue(From, To);
960 }
961
962 /// Simple Analysis hook. Delete value V from alias set
963 ///
964 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
965   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
966   if (!AST)
967     return;
968
969   AST->deleteValue(V);
970 }
971
972 /// Simple Analysis hook. Delete value L from alias set map.
973 ///
974 void LICM::deleteAnalysisLoop(Loop *L) {
975   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
976   if (!AST)
977     return;
978
979   delete AST;
980   LoopToAliasSetMap.erase(L);
981 }
982
983
984 /// Return true if the body of this loop may store into the memory
985 /// location pointed to by V.
986 ///
987 static bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
988                                      const AAMDNodes &AAInfo, 
989                                      AliasSetTracker *CurAST) {
990   // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
991   return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, AAInfo).isMod();
992 }
993
994 /// Little predicate that returns true if the specified basic block is in
995 /// a subloop of the current one, not the current one itself.
996 ///
997 static bool inSubLoop(BasicBlock *BB, Loop *CurLoop, LoopInfo *LI) {
998   assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
999   return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
1000 }
1001