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