Introduce enum values for previously defined metadata types. (NFC)
[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     /// Simple Analysis hook. Delete loop L from alias set map.
134     void deleteAnalysisLoop(Loop *L) override;
135
136     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
137     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
138     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
139     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
140     /// pass without iteration.
141     ///
142     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
143
144     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
145     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
146     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
147     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
148     /// pass without iteration.
149     ///
150     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
151
152     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
153     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
154     ///
155     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
156       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
157       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
158     }
159
160     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
161     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
162     /// needed.
163     ///
164     void sink(Instruction &I);
165
166     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
167     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
168     ///
169     void hoist(Instruction &I);
170
171     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
172     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
173     /// guaranteed to execute.
174     ///
175     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
176
177     /// isGuaranteedToExecute - Check that the instruction is guaranteed to
178     /// execute.
179     ///
180     bool isGuaranteedToExecute(Instruction &I);
181
182     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
183     /// store into the memory location pointed to by V.
184     ///
185     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
186                                   const AAMDNodes &AAInfo) {
187       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
188       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, AAInfo).isMod();
189     }
190
191     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
192     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
193
194     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
195                          SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
196                          SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
197                          PredIteratorCache &PIC);
198
199     /// \brief Create a copy of the instruction in the exit block and patch up
200     /// SSA.
201     /// PN is a user of I in ExitBlock that can be used to get the number and
202     /// list of predecessors fast.
203     Instruction *CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
204                                              BasicBlock &ExitBlock,
205                                              PHINode &PN);
206   };
207 }
208
209 char LICM::ID = 0;
210 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
211 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
212 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
213 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
214 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
215 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
216 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
217 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
218 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
219
220 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
221
222 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
223 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
224 /// times on one loop.
225 ///
226 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
227   if (skipOptnoneFunction(L))
228     return false;
229
230   Changed = false;
231
232   // Get our Loop and Alias Analysis information...
233   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
234   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
235   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
236
237   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
238   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
239   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
240
241   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop is not in LCSSA form.");
242
243   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
244   // Collect Alias info from subloops.
245   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
246        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
247     Loop *InnerL = *LoopItr;
248     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
249     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
250
251     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
252     CurAST->add(*InnerAST);
253
254     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
255     // subloop's anymore.
256     delete InnerAST;
257     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
258   }
259
260   CurLoop = L;
261
262   // Get the preheader block to move instructions into...
263   Preheader = L->getLoopPreheader();
264
265   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
266   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
267   // subloops.
268   //
269   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
270        I != E; ++I) {
271     BasicBlock *BB = *I;
272     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
273       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
274   }
275
276   MayThrow = false;
277   // TODO: We've already searched for instructions which may throw in subloops.
278   // We may want to reuse this information.
279   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), BBE = L->block_end();
280        (BB != BBE) && !MayThrow ; ++BB)
281     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
282          (I != E) && !MayThrow; ++I)
283       MayThrow |= I->mayThrow();
284
285   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
286   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
287   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
288   // the subloops).
289   //
290   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
291   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
292   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
293   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
294   //
295   if (L->hasDedicatedExits())
296     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
297   if (Preheader)
298     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
299
300   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
301   // memory references to scalars that we can.
302   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
303     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
304     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
305     PredIteratorCache PIC;
306
307     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
308     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
309          I != E; ++I)
310       PromoteAliasSet(*I, ExitBlocks, InsertPts, PIC);
311
312     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
313     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
314     // loop used in the outer loop.
315     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
316     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
317     // it as it went.
318     if (Changed)
319       formLCSSARecursively(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
320   }
321
322   // Check that neither this loop nor its parent have had LCSSA broken. LICM is
323   // specifically moving instructions across the loop boundary and so it is
324   // especially in need of sanity checking here.
325   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop not left in LCSSA form after LICM!");
326   assert((!L->getParentLoop() || L->getParentLoop()->isLCSSAForm(*DT)) &&
327          "Parent loop not left in LCSSA form after LICM!");
328
329   // Clear out loops state information for the next iteration
330   CurLoop = nullptr;
331   Preheader = nullptr;
332
333   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
334   // for when we process the outer loop.
335   if (L->getParentLoop())
336     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
337   else
338     delete CurAST;
339   return Changed;
340 }
341
342 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
343 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
344 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
345 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
346 /// iteration.
347 ///
348 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
349   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
350   BasicBlock *BB = N->getBlock();
351
352   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
353   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
354
355   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
356   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
357   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
358     SinkRegion(Children[i]);
359
360   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
361   // subloop (which would already have been processed).
362   if (inSubLoop(BB)) return;
363
364   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
365     Instruction &I = *--II;
366
367     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
368     // in the loop, instead, just delete it.
369     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
370       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
371       ++II;
372       CurAST->deleteValue(&I);
373       I.eraseFromParent();
374       Changed = true;
375       continue;
376     }
377
378     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
379     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
380     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
381     // operands of the instruction are loop invariant.
382     //
383     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
384       ++II;
385       sink(I);
386     }
387   }
388 }
389
390 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
391 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
392 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
393 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
394 ///
395 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
396   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
397   BasicBlock *BB = N->getBlock();
398
399   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
400   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
401
402   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
403   // subloop (which would already have been processed).
404   if (!inSubLoop(BB))
405     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
406       Instruction &I = *II++;
407
408       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
409       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
410       // fold it.
411       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, DL, TLI)) {
412         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
413         CurAST->copyValue(&I, C);
414         CurAST->deleteValue(&I);
415         I.replaceAllUsesWith(C);
416         I.eraseFromParent();
417         continue;
418       }
419
420       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
421       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
422       // is safe to hoist the instruction.
423       //
424       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
425           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
426         hoist(I);
427     }
428
429   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
430   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
431     HoistRegion(Children[i]);
432 }
433
434 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
435 /// instruction.
436 ///
437 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
438   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
439   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
440     if (!LI->isUnordered())
441       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
442
443     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
444     // in the same alias set as something that ends up being modified.
445     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
446       return true;
447     if (LI->getMetadata(LLVMContext::MD_invariant_load))
448       return true;
449
450     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
451     uint64_t Size = 0;
452     if (LI->getType()->isSized())
453       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
454
455     AAMDNodes AAInfo;
456     LI->getAAMetadata(AAInfo);
457
458     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size, AAInfo);
459   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
460     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
461     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
462       return false;
463
464     // Handle simple cases by querying alias analysis.
465     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
466     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
467       return true;
468     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
469       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
470       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
471       bool FoundMod = false;
472       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
473            I != E; ++I) {
474         AliasSet &AS = *I;
475         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
476           FoundMod = true;
477           break;
478         }
479       }
480       if (!FoundMod) return true;
481     }
482
483     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
484     // sink the call.
485
486     return false;
487   }
488
489   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
490   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
491       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
492       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
493       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
494       !isa<InsertValueInst>(I))
495     return false;
496
497   return isSafeToExecuteUnconditionally(I);
498 }
499
500 /// \brief Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
501 /// Instruction.
502 ///
503 /// This is true when all incoming values are that instruction. This pattern
504 /// occurs most often with LCSSA PHI nodes.
505 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
506   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
507     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
508       return false;
509
510   return true;
511 }
512
513 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
514 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
515 /// exit blocks of the loop.
516 ///
517 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
518   for (User *U : I.users()) {
519     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
520     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
521       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
522       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
523       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
524       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
525       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
526         if (CurLoop->contains(PN))
527           return false;
528         else
529           continue;
530       }
531
532       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
533       // values. Check for such a use being inside the loop.
534       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
535         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
536           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
537             return false;
538
539       continue;
540     }
541
542     if (CurLoop->contains(UI))
543       return false;
544   }
545   return true;
546 }
547
548 Instruction *LICM::CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
549                                                BasicBlock &ExitBlock,
550                                                PHINode &PN) {
551   Instruction *New = I.clone();
552   ExitBlock.getInstList().insert(ExitBlock.getFirstInsertionPt(), New);
553   if (!I.getName().empty()) New->setName(I.getName() + ".le");
554
555   // Build LCSSA PHI nodes for any in-loop operands. Note that this is
556   // particularly cheap because we can rip off the PHI node that we're
557   // replacing for the number and blocks of the predecessors.
558   // OPT: If this shows up in a profile, we can instead finish sinking all
559   // invariant instructions, and then walk their operands to re-establish
560   // LCSSA. That will eliminate creating PHI nodes just to nuke them when
561   // sinking bottom-up.
562   for (User::op_iterator OI = New->op_begin(), OE = New->op_end(); OI != OE;
563        ++OI)
564     if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
565       if (Loop *OLoop = LI->getLoopFor(OInst->getParent()))
566         if (!OLoop->contains(&PN)) {
567           PHINode *OpPN =
568               PHINode::Create(OInst->getType(), PN.getNumIncomingValues(),
569                               OInst->getName() + ".lcssa", ExitBlock.begin());
570           for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
571             OpPN->addIncoming(OInst, PN.getIncomingBlock(i));
572           *OI = OpPN;
573         }
574   return New;
575 }
576
577 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
578 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
579 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
580 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
581 ///
582 void LICM::sink(Instruction &I) {
583   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
584
585   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
586   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
587   ++NumSunk;
588   Changed = true;
589
590 #ifndef NDEBUG
591   SmallVector<BasicBlock *, 32> ExitBlocks;
592   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
593   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
594 #endif
595
596   // Clones of this instruction. Don't create more than one per exit block!
597   SmallDenseMap<BasicBlock *, Instruction *, 32> SunkCopies;
598
599   // If this instruction is only used outside of the loop, then all users are
600   // PHI nodes in exit blocks due to LCSSA form. Just RAUW them with clones of
601   // the instruction.
602   while (!I.use_empty()) {
603     Instruction *User = I.user_back();
604     if (!DT->isReachableFromEntry(User->getParent())) {
605       User->replaceUsesOfWith(&I, UndefValue::get(I.getType()));
606       continue;
607     }
608     // The user must be a PHI node.
609     PHINode *PN = cast<PHINode>(User);
610
611     BasicBlock *ExitBlock = PN->getParent();
612     assert(ExitBlockSet.count(ExitBlock) &&
613            "The LCSSA PHI is not in an exit block!");
614
615     Instruction *New;
616     auto It = SunkCopies.find(ExitBlock);
617     if (It != SunkCopies.end())
618       New = It->second;
619     else
620       New = SunkCopies[ExitBlock] =
621           CloneInstructionInExitBlock(I, *ExitBlock, *PN);
622
623     PN->replaceAllUsesWith(New);
624     PN->eraseFromParent();
625   }
626
627   CurAST->deleteValue(&I);
628   I.eraseFromParent();
629 }
630
631 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
632 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
633 ///
634 void LICM::hoist(Instruction &I) {
635   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
636         << I << "\n");
637
638   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
639   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
640
641   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
642   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
643   ++NumHoisted;
644   Changed = true;
645 }
646
647 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
648 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
649 /// guaranteed to execute.
650 ///
651 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
652   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
653   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst, DL))
654     return true;
655
656   return isGuaranteedToExecute(Inst);
657 }
658
659 bool LICM::isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst) {
660
661   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
662   // exit the loop.
663   if (MayThrow)
664     return false;
665
666   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
667   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
668   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
669
670   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
671   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
672   // is a common case, and can save some work, check it now.
673   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
674     return true;
675
676   // Get the exit blocks for the current loop.
677   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
678   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
679
680   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
681   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
682     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
683       return false;
684
685   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
686   // proven anything since there are no exit blocks.
687   if (ExitBlocks.empty())
688     return false;
689
690   return true;
691 }
692
693 namespace {
694   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
695     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
696     SmallPtrSetImpl<Value*> &PointerMustAliases;
697     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
698     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
699     PredIteratorCache &PredCache;
700     AliasSetTracker &AST;
701     LoopInfo &LI;
702     DebugLoc DL;
703     int Alignment;
704     AAMDNodes AATags;
705
706     Value *maybeInsertLCSSAPHI(Value *V, BasicBlock *BB) const {
707       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
708         if (Loop *L = LI.getLoopFor(I->getParent()))
709           if (!L->contains(BB)) {
710             // We need to create an LCSSA PHI node for the incoming value and
711             // store that.
712             PHINode *PN = PHINode::Create(
713                 I->getType(), PredCache.GetNumPreds(BB),
714                 I->getName() + ".lcssa", BB->begin());
715             for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(BB); *PI; ++PI)
716               PN->addIncoming(I, *PI);
717             return PN;
718           }
719       return V;
720     }
721
722   public:
723     LoopPromoter(Value *SP, const SmallVectorImpl<Instruction *> &Insts,
724                  SSAUpdater &S, SmallPtrSetImpl<Value *> &PMA,
725                  SmallVectorImpl<BasicBlock *> &LEB,
726                  SmallVectorImpl<Instruction *> &LIP, PredIteratorCache &PIC,
727                  AliasSetTracker &ast, LoopInfo &li, DebugLoc dl, int alignment,
728                  const AAMDNodes &AATags)
729         : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP), PointerMustAliases(PMA),
730           LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP), PredCache(PIC), AST(ast),
731           LI(li), DL(dl), Alignment(alignment), AATags(AATags) {}
732
733     bool isInstInList(Instruction *I,
734                       const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const override {
735       Value *Ptr;
736       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
737         Ptr = LI->getOperand(0);
738       else
739         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
740       return PointerMustAliases.count(Ptr);
741     }
742
743     void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const override {
744       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
745       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
746       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
747       // definition, it is all set and we can start using it.
748       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
749         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
750         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
751         LiveInValue = maybeInsertLCSSAPHI(LiveInValue, ExitBlock);
752         Value *Ptr = maybeInsertLCSSAPHI(SomePtr, ExitBlock);
753         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
754         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, Ptr, InsertPos);
755         NewSI->setAlignment(Alignment);
756         NewSI->setDebugLoc(DL);
757         if (AATags) NewSI->setAAMetadata(AATags);
758       }
759     }
760
761     void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const override {
762       // Update alias analysis.
763       AST.copyValue(LI, V);
764     }
765     void instructionDeleted(Instruction *I) const override {
766       AST.deleteValue(I);
767     }
768   };
769 } // end anon namespace
770
771 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
772 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
773 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
774 /// which are loop invariant.
775 ///
776 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
777                            SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
778                            SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
779                            PredIteratorCache &PIC) {
780   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
781   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
782   // volatile loads or stores.
783   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
784       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
785     return;
786
787   assert(!AS.empty() &&
788          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
789   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
790
791   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
792   // conditional.  For example, turning:
793   //
794   //    for () { if (c) *P += 1; }
795   //
796   // into:
797   //
798   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
799   //
800   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
801   //
802   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
803   // least one is guaranteed to be executed.
804   bool GuaranteedToExecute = false;
805
806   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
807   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
808
809   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
810   // us to prove better alignment.
811   unsigned Alignment = 1;
812   AAMDNodes AATags;
813
814   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
815   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
816   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and AA info.
817   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
818     Value *ASIV = ASI->getValue();
819     PointerMustAliases.insert(ASIV);
820
821     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
822     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
823     // different sizes.
824     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
825       return;
826
827     for (User *U : ASIV->users()) {
828       // Ignore instructions that are outside the loop.
829       Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
830       if (!UI || !CurLoop->contains(UI))
831         continue;
832
833       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
834       // it.
835       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
836         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
837         if (!load->isSimple())
838           return;
839       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
840         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
841         // pointer.
842         if (UI->getOperand(1) != ASIV)
843           continue;
844         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
845         if (!store->isSimple())
846           return;
847
848         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
849         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
850         // (which would break the LLVM concurrency model).
851
852         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
853         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
854         // instruction will be executed, update the alignment.
855         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
856         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
857         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
858           if (isGuaranteedToExecute(*UI)) {
859             GuaranteedToExecute = true;
860             Alignment = InstAlignment;
861           }
862
863         if (!GuaranteedToExecute)
864           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*UI);
865
866       } else
867         return; // Not a load or store.
868
869       // Merge the AA tags.
870       if (LoopUses.empty()) {
871         // On the first load/store, just take its AA tags.
872         UI->getAAMetadata(AATags);
873       } else if (AATags) {
874         UI->getAAMetadata(AATags, /* Merge = */ true);
875       }
876
877       LoopUses.push_back(UI);
878     }
879   }
880
881   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
882   if (!GuaranteedToExecute)
883     return;
884
885   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
886   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
887   Changed = true;
888   ++NumPromoted;
889
890   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
891   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
892   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
893   // location is better than none.
894   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
895
896   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
897   // first promotion.
898   if (ExitBlocks.empty()) {
899     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
900     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
901     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
902       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
903   }
904
905   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
906   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
907   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
908   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
909                         InsertPts, PIC, *CurAST, *LI, DL, Alignment, AATags);
910
911   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
912   // value from the preheader that uses in the loop will use.
913   LoadInst *PreheaderLoad =
914     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
915                  Preheader->getTerminator());
916   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
917   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
918   if (AATags) PreheaderLoad->setAAMetadata(AATags);
919   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
920
921   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
922   // stores in the loop.
923   Promoter.run(LoopUses);
924
925   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
926   if (PreheaderLoad->use_empty())
927     PreheaderLoad->eraseFromParent();
928 }
929
930
931 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
932 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
933   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
934   if (!AST)
935     return;
936
937   AST->copyValue(From, To);
938 }
939
940 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
941 /// set.
942 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
943   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
944   if (!AST)
945     return;
946
947   AST->deleteValue(V);
948 }
949
950 /// Simple Analysis hook. Delete value L from alias set map.
951 void LICM::deleteAnalysisLoop(Loop *L) {
952   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
953   if (!AST)
954     return;
955
956   delete AST;
957   LoopToAliasSetMap.erase(L);
958 }