7ac318a345d7828e2cd7d0ef1c0f70621ccd405f
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads out of loops.  If we can determine that a
19 //     load inside of a loop never aliases anything stored to, we can hoist it
20 //     or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
30 //     variable.
31 //
32 //===----------------------------------------------------------------------===//
33
34 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
37 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
40 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
41 #include "llvm/Instructions.h"
42 #include "llvm/DerivedTypes.h"
43 #include "llvm/Target/TargetData.h"
44 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
45 #include "llvm/Support/CFG.h"
46 #include "Support/CommandLine.h"
47 #include "Support/Debug.h"
48 #include "Support/Statistic.h"
49 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
50 #include <algorithm>
51 using namespace llvm;
52
53 namespace {
54   cl::opt<bool>
55   DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
56                    cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
57
58   Statistic<> NumHoisted("licm", "Number of instructions hoisted out of loop");
59   Statistic<> NumHoistedLoads("licm", "Number of load insts hoisted");
60   Statistic<> NumPromoted("licm",
61                           "Number of memory locations promoted to registers");
62
63   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
64     virtual bool runOnFunction(Function &F);
65
66     /// This transformation requires natural loop information & requires that
67     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
68     ///
69     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
70       AU.setPreservesCFG();
71       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
72       AU.addRequired<LoopInfo>();
73       AU.addRequired<DominatorTree>();
74       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
75       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
76     }
77
78   private:
79     // Various analyses that we use...
80     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
81     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
82     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
83     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
84
85     // State that is updated as we process loops
86     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
87     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
88     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
89     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
90
91     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
92     ///
93     void visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST);
94
95     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
96     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
97     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
98     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
99     /// pass without iteration.
100     ///
101     void HoistRegion(DominatorTree::Node *N);
102
103     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
104     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
105     ///
106     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
107       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
108       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
109         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
110           return true;  // A subloop actually contains this block!
111       return false;
112     }
113
114     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
115     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
116     ///
117     void hoist(Instruction &I);
118
119     /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping
120     /// instruction or if it is a trapping instruction and is guaranteed to
121     /// execute.
122     ///
123     bool SafeToHoist(Instruction &I);
124
125     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
126     /// store into the memory location pointed to by V.
127     /// 
128     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
129       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
130       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, 0).isMod();
131     }
132
133     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
134     ///
135     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
136       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
137         return !CurLoop->contains(I->getParent());
138       return true;  // All non-instructions are loop invariant
139     }
140
141     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
142     /// to scalars as we can.
143     ///
144     void PromoteValuesInLoop();
145
146     /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
147     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
148     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
149     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
150     /// alloca...
151     ///
152     void findPromotableValuesInLoop(
153                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
154                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
155     
156
157     /// Instruction visitation handlers... these basically control whether or
158     /// not the specified instruction types are hoisted.
159     ///
160     friend class InstVisitor<LICM>;
161     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
162       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) &&
163           isLoopInvariant(I.getOperand(1)) && SafeToHoist(I))
164         hoist(I);
165     }
166     void visitCastInst(CastInst &CI) {
167       Instruction &I = (Instruction&)CI;
168       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && SafeToHoist(CI)) hoist(I);
169     }
170     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
171
172     void visitLoadInst(LoadInst &LI);
173
174     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
175       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
176       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
177         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
178       if(SafeToHoist(GEPI))
179         hoist(I);
180     }
181   };
182
183   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
184 }
185
186 FunctionPass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
187
188 /// runOnFunction - For LICM, this simply traverses the loop structure of the
189 /// function, hoisting expressions out of loops if possible.
190 ///
191 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
192   Changed = false;
193
194   // Get our Loop and Alias Analysis information...
195   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
196   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
197   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
198   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
199
200   // Hoist expressions out of all of the top-level loops.
201   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops = LI->getTopLevelLoops();
202   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = TopLevelLoops.begin(),
203          E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I) {
204     AliasSetTracker AST(*AA);
205     LICM::visitLoop(*I, AST);
206   }
207   return Changed;
208 }
209
210
211 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
212 ///
213 void LICM::visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST) {
214   // Recurse through all subloops before we process this loop...
215   for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = L->getSubLoops().begin(),
216          E = L->getSubLoops().end(); I != E; ++I) {
217     AliasSetTracker SubAST(*AA);
218     LICM::visitLoop(*I, SubAST);
219
220     // Incorporate information about the subloops into this loop...
221     AST.add(SubAST);
222   }
223   CurLoop = L;
224   CurAST = &AST;
225
226   // Get the preheader block to move instructions into...
227   Preheader = L->getLoopPreheader();
228   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
229
230   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
231   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
232   // subloops.
233   //
234   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = L->getBlocks();
235   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
236          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I)
237     if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
238       AST.add(**I);                     // Incorporate the specified basic block
239
240   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
241   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
242   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
243   // the subloops).
244   //
245   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
246   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
247   // us to perform the LICM transformation in one pass, without iteration.
248   //
249   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
250
251   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
252   // memory references to scalars that we can...
253   if (!DisablePromotion)
254     PromoteValuesInLoop();
255
256   // Clear out loops state information for the next iteration
257   CurLoop = 0;
258   Preheader = 0;
259 }
260
261 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
262 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
263 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
264 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
265 ///
266 void LICM::HoistRegion(DominatorTree::Node *N) {
267   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
268
269   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
270   if (!CurLoop->contains(N->getBlock())) return;
271
272   // Only need to hoist the contents of this block if it is not part of a
273   // subloop (which would already have been hoisted)
274   if (!inSubLoop(N->getBlock()))
275     visit(*N->getBlock());
276
277   const std::vector<DominatorTree::Node*> &Children = N->getChildren();
278   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
279     HoistRegion(Children[i]);
280 }
281
282
283 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
284 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
285 ///
286 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
287   DEBUG(std::cerr << "LICM hoisting to";
288         WriteAsOperand(std::cerr, Preheader, false);
289         std::cerr << ": " << Inst);
290
291   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
292   // instruction.
293   Inst.getParent()->getInstList().remove(&Inst);
294
295   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
296   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &Inst);
297   
298   ++NumHoisted;
299   Changed = true;
300 }
301
302 /// SafeToHoist - Only hoist an instruction if it is not a trapping instruction
303 /// or if it is a trapping instruction and is guaranteed to execute
304 ///
305 bool LICM::SafeToHoist(Instruction &Inst) {
306   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
307   if (!Inst.isTrapping()) return true;
308   
309   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
310   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
311   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
312
313   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
314   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
315   // is a common case, and can save some work, check it now.
316   BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
317   if (Inst.getParent() == LoopHeader)
318     return true;
319
320   // Get the Dominator Tree Node for the instruction's basic block.
321   DominatorTree::Node *InstDTNode = DT->getNode(Inst.getParent());
322   
323   // Get the exit blocks for the current loop.
324   const std::vector<BasicBlock* > &ExitBlocks = CurLoop->getExitBlocks();
325
326   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
327   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
328   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
329     DominatorTree::Node *IDom = DT->getNode(ExitBlocks[i]);
330     
331     do {
332       // Get next Immediate Dominator.
333       IDom = IDom->getIDom();
334
335       // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
336       // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
337       if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
338         return false;
339
340     } while(IDom != InstDTNode);
341   }
342   
343   return true;
344 }
345
346
347 void LICM::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
348   if (isLoopInvariant(LI.getOperand(0)) && !LI.isVolatile() &&
349       !pointerInvalidatedByLoop(LI.getOperand(0)) && SafeToHoist(LI)) {
350     hoist(LI);
351     ++NumHoistedLoads;
352   }
353 }
354
355 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
356 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
357 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
358 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
359 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
360 /// PromoteMem2Reg functionality.
361 ///
362 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
363   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
364   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
365   // pointer.
366   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
367   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
368
369   findPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
370   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote...
371
372   Changed = true;
373   NumPromoted += PromotedValues.size();
374
375   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
376   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
377   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
378     // Load from the memory we are promoting...
379     LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].second, 
380                                 PromotedValues[i].second->getName()+".promoted",
381                                 LoopPredInst);
382     // Store into the temporary alloca...
383     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
384   }
385   
386   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
387   // uses of the allocas in question.  If we find a branch that exits the
388   // loop, make sure to put reload code into all of the successors of the
389   // loop.
390   //
391   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
392   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
393          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
394     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
395     for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
396          II != E; ++II) {
397       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
398         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
399           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
400         if (I != ValueToAllocaMap.end())
401           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
402       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
403         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
404           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
405         if (I != ValueToAllocaMap.end())
406           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
407       }
408     }
409
410     // Check to see if any successors of this block are outside of the loop.
411     // If so, we need to copy the value from the alloca back into the memory
412     // location...
413     //
414     for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
415       if (!CurLoop->contains(*SI)) {
416         // Copy all of the allocas into their memory locations...
417         BasicBlock::iterator BI = (*SI)->begin();
418         while (isa<PHINode>(*BI))
419           ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block...
420         Instruction *InsertPos = BI;
421         for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
422           // Load from the alloca...
423           LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
424           // Store into the memory we promoted...
425           new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
426         }
427       }
428   }
429
430   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
431   // all of the new allocas we just created into real SSA registers...
432   //
433   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
434   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
435   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
436     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
437   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, AA->getTargetData());
438 }
439
440 /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
441 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
442 /// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
443 /// and keep track of the mapping from value to alloca...
444 ///
445 void LICM::findPromotableValuesInLoop(
446                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
447                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
448   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
449
450   // Loop over all of the alias sets in the tracker object...
451   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
452        I != E; ++I) {
453     AliasSet &AS = *I;
454     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
455     // set, and if the pointer is loop invariant.
456     if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
457         isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
458       assert(AS.begin() != AS.end() &&
459              "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
460       Value *V = AS.begin()->first;
461
462       // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
463       // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
464       // different sizes.
465       bool PointerOk = true;
466       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
467         if (V->getType() != I->first->getType()) {
468           PointerOk = false;
469           break;
470         }
471
472       if (PointerOk) {
473         const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
474         AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
475         PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
476         
477         for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
478           ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
479         
480         DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
481       }
482     }
483   }
484 }