abcceb20050a28bd441f41f3e197ded6c3d41fad
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
11 // code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting
12 // code into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is
13 // safe.  This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to
14 // live in registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
19 //     that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to,
20 //     we can hoist it or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the SSAUpdater to construct the appropriate SSA form for the value.
30 //
31 //===----------------------------------------------------------------------===//
32
33 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
41 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
42 #include "llvm/IR/CFG.h"
43 #include "llvm/IR/Constants.h"
44 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
45 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
46 #include "llvm/IR/Dominators.h"
47 #include "llvm/IR/Instructions.h"
48 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
49 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
50 #include "llvm/IR/Metadata.h"
51 #include "llvm/IR/PredIteratorCache.h"
52 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
53 #include "llvm/Support/Debug.h"
54 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
55 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
56 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
57 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
59 #include <algorithm>
60 using namespace llvm;
61
62 #define DEBUG_TYPE "licm"
63
64 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
65 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
66 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
67 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
68 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
69
70 static cl::opt<bool>
71 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
72                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
73
74 namespace {
75   struct LICM : public LoopPass {
76     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
77     LICM() : LoopPass(ID) {
78       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
79     }
80
81     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
82
83     /// This transformation requires natural loop information & requires that
84     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
85     ///
86     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
87       AU.setPreservesCFG();
88       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
89       AU.addRequired<LoopInfo>();
90       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
91       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
92       AU.addRequiredID(LCSSAID);
93       AU.addPreservedID(LCSSAID);
94       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
95       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
96       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
97       AU.addRequired<TargetLibraryInfo>();
98     }
99
100     using llvm::Pass::doFinalization;
101
102     bool doFinalization() override {
103       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
104       return false;
105     }
106
107   private:
108     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
109     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
110     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
111
112     const DataLayout *DL;    // DataLayout for constant folding.
113     TargetLibraryInfo *TLI;  // TargetLibraryInfo for constant folding.
114
115     // State that is updated as we process loops.
116     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
117     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
118     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
119     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
120     bool MayThrow;           // The current loop contains an instruction which
121                              // may throw, thus preventing code motion of
122                              // instructions with side effects.
123     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
124
125     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
126     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To,
127                                  Loop *L) override;
128
129     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
130     /// set.
131     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) override;
132
133     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
134     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
135     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
136     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
137     /// pass without iteration.
138     ///
139     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
140
141     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
142     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
143     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
144     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
145     /// pass without iteration.
146     ///
147     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
148
149     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
150     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
151     ///
152     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
153       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
154       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
155     }
156
157     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
158     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
159     /// needed.
160     ///
161     void sink(Instruction &I);
162
163     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
164     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
165     ///
166     void hoist(Instruction &I);
167
168     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
169     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
170     /// guaranteed to execute.
171     ///
172     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
173
174     /// isGuaranteedToExecute - Check that the instruction is guaranteed to
175     /// execute.
176     ///
177     bool isGuaranteedToExecute(Instruction &I);
178
179     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
180     /// store into the memory location pointed to by V.
181     ///
182     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
183                                   const MDNode *TBAAInfo) {
184       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
185       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, TBAAInfo).isMod();
186     }
187
188     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
189     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
190
191     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
192                          SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
193                          SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
194                          PredIteratorCache &PIC);
195
196     /// \brief Create a copy of the instruction in the exit block and patch up
197     /// SSA.
198     /// PN is a user of I in ExitBlock that can be used to get the number and
199     /// list of predecessors fast.
200     Instruction *CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
201                                              BasicBlock &ExitBlock,
202                                              PHINode &PN);
203   };
204 }
205
206 char LICM::ID = 0;
207 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
208 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
209 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
210 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
211 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
212 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
213 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
214 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
215 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
216
217 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
218
219 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
220 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
221 /// times on one loop.
222 ///
223 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
224   if (skipOptnoneFunction(L))
225     return false;
226
227   Changed = false;
228
229   // Get our Loop and Alias Analysis information...
230   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
231   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
232   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
233
234   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
235   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
236   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
237
238   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop is not in LCSSA form.");
239
240   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
241   // Collect Alias info from subloops.
242   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
243        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
244     Loop *InnerL = *LoopItr;
245     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
246     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
247
248     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
249     CurAST->add(*InnerAST);
250
251     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
252     // subloop's anymore.
253     delete InnerAST;
254     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
255   }
256
257   CurLoop = L;
258
259   // Get the preheader block to move instructions into...
260   Preheader = L->getLoopPreheader();
261
262   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
263   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
264   // subloops.
265   //
266   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
267        I != E; ++I) {
268     BasicBlock *BB = *I;
269     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
270       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
271   }
272
273   MayThrow = false;
274   // TODO: We've already searched for instructions which may throw in subloops.
275   // We may want to reuse this information.
276   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), BBE = L->block_end();
277        (BB != BBE) && !MayThrow ; ++BB)
278     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
279          (I != E) && !MayThrow; ++I)
280       MayThrow |= I->mayThrow();
281
282   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
283   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
284   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
285   // the subloops).
286   //
287   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
288   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
289   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
290   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
291   //
292   if (L->hasDedicatedExits())
293     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
294   if (Preheader)
295     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
296
297   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
298   // memory references to scalars that we can.
299   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
300     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
301     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
302     PredIteratorCache PIC;
303
304     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
305     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
306          I != E; ++I)
307       PromoteAliasSet(*I, ExitBlocks, InsertPts, PIC);
308
309     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
310     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
311     // loop used in the outer loop.
312     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
313     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
314     // it as it went.
315     if (Changed)
316       formLCSSARecursively(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
317   }
318
319   // Check that neither this loop nor its parent have had LCSSA broken. LICM is
320   // specifically moving instructions across the loop boundary and so it is
321   // especially in need of sanity checking here.
322   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Loop not left in LCSSA form after LICM!");
323   assert((!L->getParentLoop() || L->getParentLoop()->isLCSSAForm(*DT)) &&
324          "Parent loop not left in LCSSA form after LICM!");
325
326   // Clear out loops state information for the next iteration
327   CurLoop = nullptr;
328   Preheader = nullptr;
329
330   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
331   // for when we process the outer loop.
332   if (L->getParentLoop())
333     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
334   else
335     delete CurAST;
336   return Changed;
337 }
338
339 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
340 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
341 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
342 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
343 /// iteration.
344 ///
345 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
346   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
347   BasicBlock *BB = N->getBlock();
348
349   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
350   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
351
352   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
353   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
354   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
355     SinkRegion(Children[i]);
356
357   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
358   // subloop (which would already have been processed).
359   if (inSubLoop(BB)) return;
360
361   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
362     Instruction &I = *--II;
363
364     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
365     // in the loop, instead, just delete it.
366     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
367       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
368       ++II;
369       CurAST->deleteValue(&I);
370       I.eraseFromParent();
371       Changed = true;
372       continue;
373     }
374
375     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
376     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
377     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
378     // operands of the instruction are loop invariant.
379     //
380     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
381       ++II;
382       sink(I);
383     }
384   }
385 }
386
387 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
388 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
389 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
390 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
391 ///
392 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
393   assert(N != nullptr && "Null dominator tree node?");
394   BasicBlock *BB = N->getBlock();
395
396   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
397   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
398
399   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
400   // subloop (which would already have been processed).
401   if (!inSubLoop(BB))
402     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
403       Instruction &I = *II++;
404
405       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
406       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
407       // fold it.
408       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, DL, TLI)) {
409         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
410         CurAST->copyValue(&I, C);
411         CurAST->deleteValue(&I);
412         I.replaceAllUsesWith(C);
413         I.eraseFromParent();
414         continue;
415       }
416
417       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
418       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
419       // is safe to hoist the instruction.
420       //
421       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
422           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
423         hoist(I);
424     }
425
426   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
427   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
428     HoistRegion(Children[i]);
429 }
430
431 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
432 /// instruction.
433 ///
434 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
435   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
436   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
437     if (!LI->isUnordered())
438       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
439
440     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
441     // in the same alias set as something that ends up being modified.
442     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
443       return true;
444     if (LI->getMetadata("invariant.load"))
445       return true;
446
447     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
448     uint64_t Size = 0;
449     if (LI->getType()->isSized())
450       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
451     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size,
452                                      LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
453   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
454     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
455     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
456       return false;
457
458     // Handle simple cases by querying alias analysis.
459     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
460     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
461       return true;
462     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
463       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
464       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
465       bool FoundMod = false;
466       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
467            I != E; ++I) {
468         AliasSet &AS = *I;
469         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
470           FoundMod = true;
471           break;
472         }
473       }
474       if (!FoundMod) return true;
475     }
476
477     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
478     // sink the call.
479
480     return false;
481   }
482
483   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
484   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
485       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
486       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
487       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
488       !isa<InsertValueInst>(I))
489     return false;
490
491   return isSafeToExecuteUnconditionally(I);
492 }
493
494 /// \brief Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
495 /// Instruction.
496 ///
497 /// This is true when all incoming values are that instruction. This pattern
498 /// occurs most often with LCSSA PHI nodes.
499 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
500   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
501     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
502       return false;
503
504   return true;
505 }
506
507 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
508 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
509 /// exit blocks of the loop.
510 ///
511 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
512   for (User *U : I.users()) {
513     Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
514     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
515       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
516       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
517       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
518       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
519       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
520         if (CurLoop->contains(PN))
521           return false;
522         else
523           continue;
524       }
525
526       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
527       // values. Check for such a use being inside the loop.
528       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
529         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
530           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
531             return false;
532
533       continue;
534     }
535
536     if (CurLoop->contains(UI))
537       return false;
538   }
539   return true;
540 }
541
542 Instruction *LICM::CloneInstructionInExitBlock(Instruction &I,
543                                                BasicBlock &ExitBlock,
544                                                PHINode &PN) {
545   Instruction *New = I.clone();
546   ExitBlock.getInstList().insert(ExitBlock.getFirstInsertionPt(), New);
547   if (!I.getName().empty()) New->setName(I.getName() + ".le");
548
549   // Build LCSSA PHI nodes for any in-loop operands. Note that this is
550   // particularly cheap because we can rip off the PHI node that we're
551   // replacing for the number and blocks of the predecessors.
552   // OPT: If this shows up in a profile, we can instead finish sinking all
553   // invariant instructions, and then walk their operands to re-establish
554   // LCSSA. That will eliminate creating PHI nodes just to nuke them when
555   // sinking bottom-up.
556   for (User::op_iterator OI = New->op_begin(), OE = New->op_end(); OI != OE;
557        ++OI)
558     if (Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
559       if (Loop *OLoop = LI->getLoopFor(OInst->getParent()))
560         if (!OLoop->contains(&PN)) {
561           PHINode *OpPN =
562               PHINode::Create(OInst->getType(), PN.getNumIncomingValues(),
563                               OInst->getName() + ".lcssa", ExitBlock.begin());
564           for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
565             OpPN->addIncoming(OInst, PN.getIncomingBlock(i));
566           *OI = OpPN;
567         }
568   return New;
569 }
570
571 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
572 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
573 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
574 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
575 ///
576 void LICM::sink(Instruction &I) {
577   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
578
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(), ExitBlocks.end());
588 #endif
589
590   // Clones of this instruction. Don't create more than one per exit block!
591   SmallDenseMap<BasicBlock *, Instruction *, 32> SunkCopies;
592
593   // If this instruction is only used outside of the loop, then all users are
594   // PHI nodes in exit blocks due to LCSSA form. Just RAUW them with clones of
595   // the instruction.
596   while (!I.use_empty()) {
597     // The user must be a PHI node.
598     PHINode *PN = cast<PHINode>(I.user_back());
599
600     BasicBlock *ExitBlock = PN->getParent();
601     assert(ExitBlockSet.count(ExitBlock) &&
602            "The LCSSA PHI is not in an exit block!");
603
604     Instruction *New;
605     auto It = SunkCopies.find(ExitBlock);
606     if (It != SunkCopies.end())
607       New = It->second;
608     else
609       New = SunkCopies[ExitBlock] =
610           CloneInstructionInExitBlock(I, *ExitBlock, *PN);
611
612     PN->replaceAllUsesWith(New);
613     PN->eraseFromParent();
614   }
615
616   CurAST->deleteValue(&I);
617   I.eraseFromParent();
618 }
619
620 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
621 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
622 ///
623 void LICM::hoist(Instruction &I) {
624   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
625         << I << "\n");
626
627   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
628   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
629
630   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
631   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
632   ++NumHoisted;
633   Changed = true;
634 }
635
636 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
637 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
638 /// guaranteed to execute.
639 ///
640 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
641   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
642   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst, DL))
643     return true;
644
645   return isGuaranteedToExecute(Inst);
646 }
647
648 bool LICM::isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst) {
649
650   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
651   // exit the loop.
652   if (MayThrow)
653     return false;
654
655   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
656   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
657   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
658
659   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
660   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
661   // is a common case, and can save some work, check it now.
662   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
663     return true;
664
665   // Get the exit blocks for the current loop.
666   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
667   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
668
669   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
670   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
671     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
672       return false;
673
674   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
675   // proven anything since there are no exit blocks.
676   if (ExitBlocks.empty())
677     return false;
678
679   return true;
680 }
681
682 namespace {
683   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
684     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
685     SmallPtrSet<Value*, 4> &PointerMustAliases;
686     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
687     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
688     PredIteratorCache &PredCache;
689     AliasSetTracker &AST;
690     LoopInfo &LI;
691     DebugLoc DL;
692     int Alignment;
693     MDNode *TBAATag;
694
695     Value *maybeInsertLCSSAPHI(Value *V, BasicBlock *BB) const {
696       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
697         if (Loop *L = LI.getLoopFor(I->getParent()))
698           if (!L->contains(BB)) {
699             // We need to create an LCSSA PHI node for the incoming value and
700             // store that.
701             PHINode *PN = PHINode::Create(
702                 I->getType(), PredCache.GetNumPreds(BB),
703                 I->getName() + ".lcssa", BB->begin());
704             for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(BB); *PI; ++PI)
705               PN->addIncoming(I, *PI);
706             return PN;
707           }
708       return V;
709     }
710
711   public:
712     LoopPromoter(Value *SP, const SmallVectorImpl<Instruction *> &Insts,
713                  SSAUpdater &S, SmallPtrSet<Value *, 4> &PMA,
714                  SmallVectorImpl<BasicBlock *> &LEB,
715                  SmallVectorImpl<Instruction *> &LIP, PredIteratorCache &PIC,
716                  AliasSetTracker &ast, LoopInfo &li, DebugLoc dl, int alignment,
717                  MDNode *TBAATag)
718         : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP), PointerMustAliases(PMA),
719           LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP), PredCache(PIC), AST(ast),
720           LI(li), DL(dl), Alignment(alignment), TBAATag(TBAATag) {}
721
722     bool isInstInList(Instruction *I,
723                       const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const override {
724       Value *Ptr;
725       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
726         Ptr = LI->getOperand(0);
727       else
728         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
729       return PointerMustAliases.count(Ptr);
730     }
731
732     void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const override {
733       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
734       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
735       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
736       // definition, it is all set and we can start using it.
737       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
738         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
739         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
740         LiveInValue = maybeInsertLCSSAPHI(LiveInValue, ExitBlock);
741         Value *Ptr = maybeInsertLCSSAPHI(SomePtr, ExitBlock);
742         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
743         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, Ptr, InsertPos);
744         NewSI->setAlignment(Alignment);
745         NewSI->setDebugLoc(DL);
746         if (TBAATag) NewSI->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
747       }
748     }
749
750     void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const override {
751       // Update alias analysis.
752       AST.copyValue(LI, V);
753     }
754     void instructionDeleted(Instruction *I) const override {
755       AST.deleteValue(I);
756     }
757   };
758 } // end anon namespace
759
760 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
761 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
762 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
763 /// which are loop invariant.
764 ///
765 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
766                            SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
767                            SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts,
768                            PredIteratorCache &PIC) {
769   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
770   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
771   // volatile loads or stores.
772   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
773       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
774     return;
775
776   assert(!AS.empty() &&
777          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
778   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
779
780   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
781   // conditional.  For example, turning:
782   //
783   //    for () { if (c) *P += 1; }
784   //
785   // into:
786   //
787   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
788   //
789   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
790   //
791   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
792   // least one is guaranteed to be executed.
793   bool GuaranteedToExecute = false;
794
795   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
796   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
797
798   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
799   // us to prove better alignment.
800   unsigned Alignment = 1;
801   MDNode *TBAATag = nullptr;
802
803   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
804   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
805   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and TBAA info.
806   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
807     Value *ASIV = ASI->getValue();
808     PointerMustAliases.insert(ASIV);
809
810     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
811     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
812     // different sizes.
813     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
814       return;
815
816     for (User *U : ASIV->users()) {
817       // Ignore instructions that are outside the loop.
818       Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
819       if (!UI || !CurLoop->contains(UI))
820         continue;
821
822       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
823       // it.
824       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(UI)) {
825         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
826         if (!load->isSimple())
827           return;
828       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
829         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
830         // pointer.
831         if (UI->getOperand(1) != ASIV)
832           continue;
833         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
834         if (!store->isSimple())
835           return;
836
837         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
838         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
839         // (which would break the LLVM concurrency model).
840
841         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
842         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
843         // instruction will be executed, update the alignment.
844         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
845         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
846         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
847           if (isGuaranteedToExecute(*UI)) {
848             GuaranteedToExecute = true;
849             Alignment = InstAlignment;
850           }
851
852         if (!GuaranteedToExecute)
853           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*UI);
854
855       } else
856         return; // Not a load or store.
857
858       // Merge the TBAA tags.
859       if (LoopUses.empty()) {
860         // On the first load/store, just take its TBAA tag.
861         TBAATag = UI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
862       } else if (TBAATag) {
863         TBAATag = MDNode::getMostGenericTBAA(TBAATag,
864                                        UI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
865       }
866
867       LoopUses.push_back(UI);
868     }
869   }
870
871   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
872   if (!GuaranteedToExecute)
873     return;
874
875   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
876   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
877   Changed = true;
878   ++NumPromoted;
879
880   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
881   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
882   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
883   // location is better than none.
884   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
885
886   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
887   // first promotion.
888   if (ExitBlocks.empty()) {
889     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
890     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
891     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
892       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
893   }
894
895   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
896   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
897   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
898   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
899                         InsertPts, PIC, *CurAST, *LI, DL, Alignment, TBAATag);
900
901   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
902   // value from the preheader that uses in the loop will use.
903   LoadInst *PreheaderLoad =
904     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
905                  Preheader->getTerminator());
906   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
907   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
908   if (TBAATag) PreheaderLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
909   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
910
911   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
912   // stores in the loop.
913   Promoter.run(LoopUses);
914
915   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
916   if (PreheaderLoad->use_empty())
917     PreheaderLoad->eraseFromParent();
918 }
919
920
921 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
922 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
923   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
924   if (!AST)
925     return;
926
927   AST->copyValue(From, To);
928 }
929
930 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
931 /// set.
932 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
933   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
934   if (!AST)
935     return;
936
937   AST->deleteValue(V);
938 }