9709dfcc1f685a4804a41261d43d62b923278554
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / MemCpyOptimizer.cpp
1 //===- MemCpyOptimizer.cpp - Optimize use of memcpy and friends -----------===//
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 various transformations related to eliminating memcpy
11 // calls, or transforming sets of stores into memset's.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
16 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
17 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
18 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
19 #include "llvm/Analysis/AssumptionTracker.h"
20 #include "llvm/Analysis/MemoryDependenceAnalysis.h"
21 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
22 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
23 #include "llvm/IR/Dominators.h"
24 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
25 #include "llvm/IR/GlobalVariable.h"
26 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
27 #include "llvm/IR/Instructions.h"
28 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
29 #include "llvm/Support/Debug.h"
30 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
31 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
32 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
33 #include <list>
34 using namespace llvm;
35
36 #define DEBUG_TYPE "memcpyopt"
37
38 STATISTIC(NumMemCpyInstr, "Number of memcpy instructions deleted");
39 STATISTIC(NumMemSetInfer, "Number of memsets inferred");
40 STATISTIC(NumMoveToCpy,   "Number of memmoves converted to memcpy");
41 STATISTIC(NumCpyToSet,    "Number of memcpys converted to memset");
42
43 static int64_t GetOffsetFromIndex(const GEPOperator *GEP, unsigned Idx,
44                                   bool &VariableIdxFound, const DataLayout &TD){
45   // Skip over the first indices.
46   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
47   for (unsigned i = 1; i != Idx; ++i, ++GTI)
48     /*skip along*/;
49
50   // Compute the offset implied by the rest of the indices.
51   int64_t Offset = 0;
52   for (unsigned i = Idx, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
53     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i));
54     if (!OpC)
55       return VariableIdxFound = true;
56     if (OpC->isZero()) continue;  // No offset.
57
58     // Handle struct indices, which add their field offset to the pointer.
59     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
60       Offset += TD.getStructLayout(STy)->getElementOffset(OpC->getZExtValue());
61       continue;
62     }
63
64     // Otherwise, we have a sequential type like an array or vector.  Multiply
65     // the index by the ElementSize.
66     uint64_t Size = TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
67     Offset += Size*OpC->getSExtValue();
68   }
69
70   return Offset;
71 }
72
73 /// IsPointerOffset - Return true if Ptr1 is provably equal to Ptr2 plus a
74 /// constant offset, and return that constant offset.  For example, Ptr1 might
75 /// be &A[42], and Ptr2 might be &A[40].  In this case offset would be -8.
76 static bool IsPointerOffset(Value *Ptr1, Value *Ptr2, int64_t &Offset,
77                             const DataLayout &TD) {
78   Ptr1 = Ptr1->stripPointerCasts();
79   Ptr2 = Ptr2->stripPointerCasts();
80
81   // Handle the trivial case first.
82   if (Ptr1 == Ptr2) {
83     Offset = 0;
84     return true;
85   }
86
87   GEPOperator *GEP1 = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr1);
88   GEPOperator *GEP2 = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr2);
89
90   bool VariableIdxFound = false;
91
92   // If one pointer is a GEP and the other isn't, then see if the GEP is a
93   // constant offset from the base, as in "P" and "gep P, 1".
94   if (GEP1 && !GEP2 && GEP1->getOperand(0)->stripPointerCasts() == Ptr2) {
95     Offset = -GetOffsetFromIndex(GEP1, 1, VariableIdxFound, TD);
96     return !VariableIdxFound;
97   }
98
99   if (GEP2 && !GEP1 && GEP2->getOperand(0)->stripPointerCasts() == Ptr1) {
100     Offset = GetOffsetFromIndex(GEP2, 1, VariableIdxFound, TD);
101     return !VariableIdxFound;
102   }
103
104   // Right now we handle the case when Ptr1/Ptr2 are both GEPs with an identical
105   // base.  After that base, they may have some number of common (and
106   // potentially variable) indices.  After that they handle some constant
107   // offset, which determines their offset from each other.  At this point, we
108   // handle no other case.
109   if (!GEP1 || !GEP2 || GEP1->getOperand(0) != GEP2->getOperand(0))
110     return false;
111
112   // Skip any common indices and track the GEP types.
113   unsigned Idx = 1;
114   for (; Idx != GEP1->getNumOperands() && Idx != GEP2->getNumOperands(); ++Idx)
115     if (GEP1->getOperand(Idx) != GEP2->getOperand(Idx))
116       break;
117
118   int64_t Offset1 = GetOffsetFromIndex(GEP1, Idx, VariableIdxFound, TD);
119   int64_t Offset2 = GetOffsetFromIndex(GEP2, Idx, VariableIdxFound, TD);
120   if (VariableIdxFound) return false;
121
122   Offset = Offset2-Offset1;
123   return true;
124 }
125
126
127 /// MemsetRange - Represents a range of memset'd bytes with the ByteVal value.
128 /// This allows us to analyze stores like:
129 ///   store 0 -> P+1
130 ///   store 0 -> P+0
131 ///   store 0 -> P+3
132 ///   store 0 -> P+2
133 /// which sometimes happens with stores to arrays of structs etc.  When we see
134 /// the first store, we make a range [1, 2).  The second store extends the range
135 /// to [0, 2).  The third makes a new range [2, 3).  The fourth store joins the
136 /// two ranges into [0, 3) which is memset'able.
137 namespace {
138 struct MemsetRange {
139   // Start/End - A semi range that describes the span that this range covers.
140   // The range is closed at the start and open at the end: [Start, End).
141   int64_t Start, End;
142
143   /// StartPtr - The getelementptr instruction that points to the start of the
144   /// range.
145   Value *StartPtr;
146
147   /// Alignment - The known alignment of the first store.
148   unsigned Alignment;
149
150   /// TheStores - The actual stores that make up this range.
151   SmallVector<Instruction*, 16> TheStores;
152
153   bool isProfitableToUseMemset(const DataLayout &TD) const;
154
155 };
156 } // end anon namespace
157
158 bool MemsetRange::isProfitableToUseMemset(const DataLayout &TD) const {
159   // If we found more than 4 stores to merge or 16 bytes, use memset.
160   if (TheStores.size() >= 4 || End-Start >= 16) return true;
161
162   // If there is nothing to merge, don't do anything.
163   if (TheStores.size() < 2) return false;
164
165   // If any of the stores are a memset, then it is always good to extend the
166   // memset.
167   for (unsigned i = 0, e = TheStores.size(); i != e; ++i)
168     if (!isa<StoreInst>(TheStores[i]))
169       return true;
170
171   // Assume that the code generator is capable of merging pairs of stores
172   // together if it wants to.
173   if (TheStores.size() == 2) return false;
174
175   // If we have fewer than 8 stores, it can still be worthwhile to do this.
176   // For example, merging 4 i8 stores into an i32 store is useful almost always.
177   // However, merging 2 32-bit stores isn't useful on a 32-bit architecture (the
178   // memset will be split into 2 32-bit stores anyway) and doing so can
179   // pessimize the llvm optimizer.
180   //
181   // Since we don't have perfect knowledge here, make some assumptions: assume
182   // the maximum GPR width is the same size as the largest legal integer
183   // size. If so, check to see whether we will end up actually reducing the
184   // number of stores used.
185   unsigned Bytes = unsigned(End-Start);
186   unsigned MaxIntSize = TD.getLargestLegalIntTypeSize();
187   if (MaxIntSize == 0)
188     MaxIntSize = 1;
189   unsigned NumPointerStores = Bytes / MaxIntSize;
190
191   // Assume the remaining bytes if any are done a byte at a time.
192   unsigned NumByteStores = Bytes - NumPointerStores * MaxIntSize;
193
194   // If we will reduce the # stores (according to this heuristic), do the
195   // transformation.  This encourages merging 4 x i8 -> i32 and 2 x i16 -> i32
196   // etc.
197   return TheStores.size() > NumPointerStores+NumByteStores;
198 }
199
200
201 namespace {
202 class MemsetRanges {
203   /// Ranges - A sorted list of the memset ranges.  We use std::list here
204   /// because each element is relatively large and expensive to copy.
205   std::list<MemsetRange> Ranges;
206   typedef std::list<MemsetRange>::iterator range_iterator;
207   const DataLayout &DL;
208 public:
209   MemsetRanges(const DataLayout &DL) : DL(DL) {}
210
211   typedef std::list<MemsetRange>::const_iterator const_iterator;
212   const_iterator begin() const { return Ranges.begin(); }
213   const_iterator end() const { return Ranges.end(); }
214   bool empty() const { return Ranges.empty(); }
215
216   void addInst(int64_t OffsetFromFirst, Instruction *Inst) {
217     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
218       addStore(OffsetFromFirst, SI);
219     else
220       addMemSet(OffsetFromFirst, cast<MemSetInst>(Inst));
221   }
222
223   void addStore(int64_t OffsetFromFirst, StoreInst *SI) {
224     int64_t StoreSize = DL.getTypeStoreSize(SI->getOperand(0)->getType());
225
226     addRange(OffsetFromFirst, StoreSize,
227              SI->getPointerOperand(), SI->getAlignment(), SI);
228   }
229
230   void addMemSet(int64_t OffsetFromFirst, MemSetInst *MSI) {
231     int64_t Size = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
232     addRange(OffsetFromFirst, Size, MSI->getDest(), MSI->getAlignment(), MSI);
233   }
234
235   void addRange(int64_t Start, int64_t Size, Value *Ptr,
236                 unsigned Alignment, Instruction *Inst);
237
238 };
239
240 } // end anon namespace
241
242
243 /// addRange - Add a new store to the MemsetRanges data structure.  This adds a
244 /// new range for the specified store at the specified offset, merging into
245 /// existing ranges as appropriate.
246 ///
247 /// Do a linear search of the ranges to see if this can be joined and/or to
248 /// find the insertion point in the list.  We keep the ranges sorted for
249 /// simplicity here.  This is a linear search of a linked list, which is ugly,
250 /// however the number of ranges is limited, so this won't get crazy slow.
251 void MemsetRanges::addRange(int64_t Start, int64_t Size, Value *Ptr,
252                             unsigned Alignment, Instruction *Inst) {
253   int64_t End = Start+Size;
254   range_iterator I = Ranges.begin(), E = Ranges.end();
255
256   while (I != E && Start > I->End)
257     ++I;
258
259   // We now know that I == E, in which case we didn't find anything to merge
260   // with, or that Start <= I->End.  If End < I->Start or I == E, then we need
261   // to insert a new range.  Handle this now.
262   if (I == E || End < I->Start) {
263     MemsetRange &R = *Ranges.insert(I, MemsetRange());
264     R.Start        = Start;
265     R.End          = End;
266     R.StartPtr     = Ptr;
267     R.Alignment    = Alignment;
268     R.TheStores.push_back(Inst);
269     return;
270   }
271
272   // This store overlaps with I, add it.
273   I->TheStores.push_back(Inst);
274
275   // At this point, we may have an interval that completely contains our store.
276   // If so, just add it to the interval and return.
277   if (I->Start <= Start && I->End >= End)
278     return;
279
280   // Now we know that Start <= I->End and End >= I->Start so the range overlaps
281   // but is not entirely contained within the range.
282
283   // See if the range extends the start of the range.  In this case, it couldn't
284   // possibly cause it to join the prior range, because otherwise we would have
285   // stopped on *it*.
286   if (Start < I->Start) {
287     I->Start = Start;
288     I->StartPtr = Ptr;
289     I->Alignment = Alignment;
290   }
291
292   // Now we know that Start <= I->End and Start >= I->Start (so the startpoint
293   // is in or right at the end of I), and that End >= I->Start.  Extend I out to
294   // End.
295   if (End > I->End) {
296     I->End = End;
297     range_iterator NextI = I;
298     while (++NextI != E && End >= NextI->Start) {
299       // Merge the range in.
300       I->TheStores.append(NextI->TheStores.begin(), NextI->TheStores.end());
301       if (NextI->End > I->End)
302         I->End = NextI->End;
303       Ranges.erase(NextI);
304       NextI = I;
305     }
306   }
307 }
308
309 //===----------------------------------------------------------------------===//
310 //                         MemCpyOpt Pass
311 //===----------------------------------------------------------------------===//
312
313 namespace {
314   class MemCpyOpt : public FunctionPass {
315     MemoryDependenceAnalysis *MD;
316     TargetLibraryInfo *TLI;
317     const DataLayout *DL;
318   public:
319     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
320     MemCpyOpt() : FunctionPass(ID) {
321       initializeMemCpyOptPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
322       MD = nullptr;
323       TLI = nullptr;
324       DL = nullptr;
325     }
326
327     bool runOnFunction(Function &F) override;
328
329   private:
330     // This transformation requires dominator postdominator info
331     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
332       AU.setPreservesCFG();
333       AU.addRequired<AssumptionTracker>();
334       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
335       AU.addRequired<MemoryDependenceAnalysis>();
336       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
337       AU.addRequired<TargetLibraryInfo>();
338       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
339       AU.addPreserved<MemoryDependenceAnalysis>();
340     }
341
342     // Helper fuctions
343     bool processStore(StoreInst *SI, BasicBlock::iterator &BBI);
344     bool processMemSet(MemSetInst *SI, BasicBlock::iterator &BBI);
345     bool processMemCpy(MemCpyInst *M);
346     bool processMemMove(MemMoveInst *M);
347     bool performCallSlotOptzn(Instruction *cpy, Value *cpyDst, Value *cpySrc,
348                               uint64_t cpyLen, unsigned cpyAlign, CallInst *C);
349     bool processMemCpyMemCpyDependence(MemCpyInst *M, MemCpyInst *MDep,
350                                        uint64_t MSize);
351     bool processByValArgument(CallSite CS, unsigned ArgNo);
352     Instruction *tryMergingIntoMemset(Instruction *I, Value *StartPtr,
353                                       Value *ByteVal);
354
355     bool iterateOnFunction(Function &F);
356   };
357
358   char MemCpyOpt::ID = 0;
359 }
360
361 // createMemCpyOptPass - The public interface to this file...
362 FunctionPass *llvm::createMemCpyOptPass() { return new MemCpyOpt(); }
363
364 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MemCpyOpt, "memcpyopt", "MemCpy Optimization",
365                       false, false)
366 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionTracker)
367 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
368 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MemoryDependenceAnalysis)
369 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
370 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
371 INITIALIZE_PASS_END(MemCpyOpt, "memcpyopt", "MemCpy Optimization",
372                     false, false)
373
374 /// tryMergingIntoMemset - When scanning forward over instructions, we look for
375 /// some other patterns to fold away.  In particular, this looks for stores to
376 /// neighboring locations of memory.  If it sees enough consecutive ones, it
377 /// attempts to merge them together into a memcpy/memset.
378 Instruction *MemCpyOpt::tryMergingIntoMemset(Instruction *StartInst,
379                                              Value *StartPtr, Value *ByteVal) {
380   if (!DL) return nullptr;
381
382   // Okay, so we now have a single store that can be splatable.  Scan to find
383   // all subsequent stores of the same value to offset from the same pointer.
384   // Join these together into ranges, so we can decide whether contiguous blocks
385   // are stored.
386   MemsetRanges Ranges(*DL);
387
388   BasicBlock::iterator BI = StartInst;
389   for (++BI; !isa<TerminatorInst>(BI); ++BI) {
390     if (!isa<StoreInst>(BI) && !isa<MemSetInst>(BI)) {
391       // If the instruction is readnone, ignore it, otherwise bail out.  We
392       // don't even allow readonly here because we don't want something like:
393       // A[1] = 2; strlen(A); A[2] = 2; -> memcpy(A, ...); strlen(A).
394       if (BI->mayWriteToMemory() || BI->mayReadFromMemory())
395         break;
396       continue;
397     }
398
399     if (StoreInst *NextStore = dyn_cast<StoreInst>(BI)) {
400       // If this is a store, see if we can merge it in.
401       if (!NextStore->isSimple()) break;
402
403       // Check to see if this stored value is of the same byte-splattable value.
404       if (ByteVal != isBytewiseValue(NextStore->getOperand(0)))
405         break;
406
407       // Check to see if this store is to a constant offset from the start ptr.
408       int64_t Offset;
409       if (!IsPointerOffset(StartPtr, NextStore->getPointerOperand(),
410                            Offset, *DL))
411         break;
412
413       Ranges.addStore(Offset, NextStore);
414     } else {
415       MemSetInst *MSI = cast<MemSetInst>(BI);
416
417       if (MSI->isVolatile() || ByteVal != MSI->getValue() ||
418           !isa<ConstantInt>(MSI->getLength()))
419         break;
420
421       // Check to see if this store is to a constant offset from the start ptr.
422       int64_t Offset;
423       if (!IsPointerOffset(StartPtr, MSI->getDest(), Offset, *DL))
424         break;
425
426       Ranges.addMemSet(Offset, MSI);
427     }
428   }
429
430   // If we have no ranges, then we just had a single store with nothing that
431   // could be merged in.  This is a very common case of course.
432   if (Ranges.empty())
433     return nullptr;
434
435   // If we had at least one store that could be merged in, add the starting
436   // store as well.  We try to avoid this unless there is at least something
437   // interesting as a small compile-time optimization.
438   Ranges.addInst(0, StartInst);
439
440   // If we create any memsets, we put it right before the first instruction that
441   // isn't part of the memset block.  This ensure that the memset is dominated
442   // by any addressing instruction needed by the start of the block.
443   IRBuilder<> Builder(BI);
444
445   // Now that we have full information about ranges, loop over the ranges and
446   // emit memset's for anything big enough to be worthwhile.
447   Instruction *AMemSet = nullptr;
448   for (MemsetRanges::const_iterator I = Ranges.begin(), E = Ranges.end();
449        I != E; ++I) {
450     const MemsetRange &Range = *I;
451
452     if (Range.TheStores.size() == 1) continue;
453
454     // If it is profitable to lower this range to memset, do so now.
455     if (!Range.isProfitableToUseMemset(*DL))
456       continue;
457
458     // Otherwise, we do want to transform this!  Create a new memset.
459     // Get the starting pointer of the block.
460     StartPtr = Range.StartPtr;
461
462     // Determine alignment
463     unsigned Alignment = Range.Alignment;
464     if (Alignment == 0) {
465       Type *EltType =
466         cast<PointerType>(StartPtr->getType())->getElementType();
467       Alignment = DL->getABITypeAlignment(EltType);
468     }
469
470     AMemSet =
471       Builder.CreateMemSet(StartPtr, ByteVal, Range.End-Range.Start, Alignment);
472
473     DEBUG(dbgs() << "Replace stores:\n";
474           for (unsigned i = 0, e = Range.TheStores.size(); i != e; ++i)
475             dbgs() << *Range.TheStores[i] << '\n';
476           dbgs() << "With: " << *AMemSet << '\n');
477
478     if (!Range.TheStores.empty())
479       AMemSet->setDebugLoc(Range.TheStores[0]->getDebugLoc());
480
481     // Zap all the stores.
482     for (SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator
483          SI = Range.TheStores.begin(),
484          SE = Range.TheStores.end(); SI != SE; ++SI) {
485       MD->removeInstruction(*SI);
486       (*SI)->eraseFromParent();
487     }
488     ++NumMemSetInfer;
489   }
490
491   return AMemSet;
492 }
493
494
495 bool MemCpyOpt::processStore(StoreInst *SI, BasicBlock::iterator &BBI) {
496   if (!SI->isSimple()) return false;
497
498   if (!DL) return false;
499
500   // Detect cases where we're performing call slot forwarding, but
501   // happen to be using a load-store pair to implement it, rather than
502   // a memcpy.
503   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(SI->getOperand(0))) {
504     if (LI->isSimple() && LI->hasOneUse() &&
505         LI->getParent() == SI->getParent()) {
506       MemDepResult ldep = MD->getDependency(LI);
507       CallInst *C = nullptr;
508       if (ldep.isClobber() && !isa<MemCpyInst>(ldep.getInst()))
509         C = dyn_cast<CallInst>(ldep.getInst());
510
511       if (C) {
512         // Check that nothing touches the dest of the "copy" between
513         // the call and the store.
514         AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
515         AliasAnalysis::Location StoreLoc = AA.getLocation(SI);
516         for (BasicBlock::iterator I = --BasicBlock::iterator(SI),
517                                   E = C; I != E; --I) {
518           if (AA.getModRefInfo(&*I, StoreLoc) != AliasAnalysis::NoModRef) {
519             C = nullptr;
520             break;
521           }
522         }
523       }
524
525       if (C) {
526         unsigned storeAlign = SI->getAlignment();
527         if (!storeAlign)
528           storeAlign = DL->getABITypeAlignment(SI->getOperand(0)->getType());
529         unsigned loadAlign = LI->getAlignment();
530         if (!loadAlign)
531           loadAlign = DL->getABITypeAlignment(LI->getType());
532
533         bool changed = performCallSlotOptzn(LI,
534                         SI->getPointerOperand()->stripPointerCasts(),
535                         LI->getPointerOperand()->stripPointerCasts(),
536                         DL->getTypeStoreSize(SI->getOperand(0)->getType()),
537                         std::min(storeAlign, loadAlign), C);
538         if (changed) {
539           MD->removeInstruction(SI);
540           SI->eraseFromParent();
541           MD->removeInstruction(LI);
542           LI->eraseFromParent();
543           ++NumMemCpyInstr;
544           return true;
545         }
546       }
547     }
548   }
549
550   // There are two cases that are interesting for this code to handle: memcpy
551   // and memset.  Right now we only handle memset.
552
553   // Ensure that the value being stored is something that can be memset'able a
554   // byte at a time like "0" or "-1" or any width, as well as things like
555   // 0xA0A0A0A0 and 0.0.
556   if (Value *ByteVal = isBytewiseValue(SI->getOperand(0)))
557     if (Instruction *I = tryMergingIntoMemset(SI, SI->getPointerOperand(),
558                                               ByteVal)) {
559       BBI = I;  // Don't invalidate iterator.
560       return true;
561     }
562
563   return false;
564 }
565
566 bool MemCpyOpt::processMemSet(MemSetInst *MSI, BasicBlock::iterator &BBI) {
567   // See if there is another memset or store neighboring this memset which
568   // allows us to widen out the memset to do a single larger store.
569   if (isa<ConstantInt>(MSI->getLength()) && !MSI->isVolatile())
570     if (Instruction *I = tryMergingIntoMemset(MSI, MSI->getDest(),
571                                               MSI->getValue())) {
572       BBI = I;  // Don't invalidate iterator.
573       return true;
574     }
575   return false;
576 }
577
578
579 /// performCallSlotOptzn - takes a memcpy and a call that it depends on,
580 /// and checks for the possibility of a call slot optimization by having
581 /// the call write its result directly into the destination of the memcpy.
582 bool MemCpyOpt::performCallSlotOptzn(Instruction *cpy,
583                                      Value *cpyDest, Value *cpySrc,
584                                      uint64_t cpyLen, unsigned cpyAlign,
585                                      CallInst *C) {
586   // The general transformation to keep in mind is
587   //
588   //   call @func(..., src, ...)
589   //   memcpy(dest, src, ...)
590   //
591   // ->
592   //
593   //   memcpy(dest, src, ...)
594   //   call @func(..., dest, ...)
595   //
596   // Since moving the memcpy is technically awkward, we additionally check that
597   // src only holds uninitialized values at the moment of the call, meaning that
598   // the memcpy can be discarded rather than moved.
599
600   // Deliberately get the source and destination with bitcasts stripped away,
601   // because we'll need to do type comparisons based on the underlying type.
602   CallSite CS(C);
603
604   // Require that src be an alloca.  This simplifies the reasoning considerably.
605   AllocaInst *srcAlloca = dyn_cast<AllocaInst>(cpySrc);
606   if (!srcAlloca)
607     return false;
608
609   // Check that all of src is copied to dest.
610   if (!DL) return false;
611
612   ConstantInt *srcArraySize = dyn_cast<ConstantInt>(srcAlloca->getArraySize());
613   if (!srcArraySize)
614     return false;
615
616   uint64_t srcSize = DL->getTypeAllocSize(srcAlloca->getAllocatedType()) *
617     srcArraySize->getZExtValue();
618
619   if (cpyLen < srcSize)
620     return false;
621
622   // Check that accessing the first srcSize bytes of dest will not cause a
623   // trap.  Otherwise the transform is invalid since it might cause a trap
624   // to occur earlier than it otherwise would.
625   if (AllocaInst *A = dyn_cast<AllocaInst>(cpyDest)) {
626     // The destination is an alloca.  Check it is larger than srcSize.
627     ConstantInt *destArraySize = dyn_cast<ConstantInt>(A->getArraySize());
628     if (!destArraySize)
629       return false;
630
631     uint64_t destSize = DL->getTypeAllocSize(A->getAllocatedType()) *
632       destArraySize->getZExtValue();
633
634     if (destSize < srcSize)
635       return false;
636   } else if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(cpyDest)) {
637     // If the destination is an sret parameter then only accesses that are
638     // outside of the returned struct type can trap.
639     if (!A->hasStructRetAttr())
640       return false;
641
642     Type *StructTy = cast<PointerType>(A->getType())->getElementType();
643     if (!StructTy->isSized()) {
644       // The call may never return and hence the copy-instruction may never
645       // be executed, and therefore it's not safe to say "the destination
646       // has at least <cpyLen> bytes, as implied by the copy-instruction",
647       return false;
648     }
649
650     uint64_t destSize = DL->getTypeAllocSize(StructTy);
651     if (destSize < srcSize)
652       return false;
653   } else {
654     return false;
655   }
656
657   // Check that dest points to memory that is at least as aligned as src.
658   unsigned srcAlign = srcAlloca->getAlignment();
659   if (!srcAlign)
660     srcAlign = DL->getABITypeAlignment(srcAlloca->getAllocatedType());
661   bool isDestSufficientlyAligned = srcAlign <= cpyAlign;
662   // If dest is not aligned enough and we can't increase its alignment then
663   // bail out.
664   if (!isDestSufficientlyAligned && !isa<AllocaInst>(cpyDest))
665     return false;
666
667   // Check that src is not accessed except via the call and the memcpy.  This
668   // guarantees that it holds only undefined values when passed in (so the final
669   // memcpy can be dropped), that it is not read or written between the call and
670   // the memcpy, and that writing beyond the end of it is undefined.
671   SmallVector<User*, 8> srcUseList(srcAlloca->user_begin(),
672                                    srcAlloca->user_end());
673   while (!srcUseList.empty()) {
674     User *U = srcUseList.pop_back_val();
675
676     if (isa<BitCastInst>(U) || isa<AddrSpaceCastInst>(U)) {
677       for (User *UU : U->users())
678         srcUseList.push_back(UU);
679       continue;
680     }
681     if (GetElementPtrInst *G = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
682       if (!G->hasAllZeroIndices())
683         return false;
684
685       for (User *UU : U->users())
686         srcUseList.push_back(UU);
687       continue;
688     }
689     if (const IntrinsicInst *IT = dyn_cast<IntrinsicInst>(U))
690       if (IT->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
691           IT->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end)
692         continue;
693
694     if (U != C && U != cpy)
695       return false;
696   }
697
698   // Check that src isn't captured by the called function since the
699   // transformation can cause aliasing issues in that case.
700   for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
701     if (CS.getArgument(i) == cpySrc && !CS.doesNotCapture(i))
702       return false;
703
704   // Since we're changing the parameter to the callsite, we need to make sure
705   // that what would be the new parameter dominates the callsite.
706   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
707   if (Instruction *cpyDestInst = dyn_cast<Instruction>(cpyDest))
708     if (!DT.dominates(cpyDestInst, C))
709       return false;
710
711   // In addition to knowing that the call does not access src in some
712   // unexpected manner, for example via a global, which we deduce from
713   // the use analysis, we also need to know that it does not sneakily
714   // access dest.  We rely on AA to figure this out for us.
715   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
716   AliasAnalysis::ModRefResult MR = AA.getModRefInfo(C, cpyDest, srcSize);
717   // If necessary, perform additional analysis.
718   if (MR != AliasAnalysis::NoModRef)
719     MR = AA.callCapturesBefore(C, cpyDest, srcSize, &DT);
720   if (MR != AliasAnalysis::NoModRef)
721     return false;
722
723   // All the checks have passed, so do the transformation.
724   bool changedArgument = false;
725   for (unsigned i = 0; i < CS.arg_size(); ++i)
726     if (CS.getArgument(i)->stripPointerCasts() == cpySrc) {
727       Value *Dest = cpySrc->getType() == cpyDest->getType() ?  cpyDest
728         : CastInst::CreatePointerCast(cpyDest, cpySrc->getType(),
729                                       cpyDest->getName(), C);
730       changedArgument = true;
731       if (CS.getArgument(i)->getType() == Dest->getType())
732         CS.setArgument(i, Dest);
733       else
734         CS.setArgument(i, CastInst::CreatePointerCast(Dest,
735                           CS.getArgument(i)->getType(), Dest->getName(), C));
736     }
737
738   if (!changedArgument)
739     return false;
740
741   // If the destination wasn't sufficiently aligned then increase its alignment.
742   if (!isDestSufficientlyAligned) {
743     assert(isa<AllocaInst>(cpyDest) && "Can only increase alloca alignment!");
744     cast<AllocaInst>(cpyDest)->setAlignment(srcAlign);
745   }
746
747   // Drop any cached information about the call, because we may have changed
748   // its dependence information by changing its parameter.
749   MD->removeInstruction(C);
750
751   // Remove the memcpy.
752   MD->removeInstruction(cpy);
753   ++NumMemCpyInstr;
754
755   return true;
756 }
757
758 /// processMemCpyMemCpyDependence - We've found that the (upward scanning)
759 /// memory dependence of memcpy 'M' is the memcpy 'MDep'.  Try to simplify M to
760 /// copy from MDep's input if we can.  MSize is the size of M's copy.
761 ///
762 bool MemCpyOpt::processMemCpyMemCpyDependence(MemCpyInst *M, MemCpyInst *MDep,
763                                               uint64_t MSize) {
764   // We can only transforms memcpy's where the dest of one is the source of the
765   // other.
766   if (M->getSource() != MDep->getDest() || MDep->isVolatile())
767     return false;
768
769   // If dep instruction is reading from our current input, then it is a noop
770   // transfer and substituting the input won't change this instruction.  Just
771   // ignore the input and let someone else zap MDep.  This handles cases like:
772   //    memcpy(a <- a)
773   //    memcpy(b <- a)
774   if (M->getSource() == MDep->getSource())
775     return false;
776
777   // Second, the length of the memcpy's must be the same, or the preceding one
778   // must be larger than the following one.
779   ConstantInt *MDepLen = dyn_cast<ConstantInt>(MDep->getLength());
780   ConstantInt *MLen = dyn_cast<ConstantInt>(M->getLength());
781   if (!MDepLen || !MLen || MDepLen->getZExtValue() < MLen->getZExtValue())
782     return false;
783
784   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
785
786   // Verify that the copied-from memory doesn't change in between the two
787   // transfers.  For example, in:
788   //    memcpy(a <- b)
789   //    *b = 42;
790   //    memcpy(c <- a)
791   // It would be invalid to transform the second memcpy into memcpy(c <- b).
792   //
793   // TODO: If the code between M and MDep is transparent to the destination "c",
794   // then we could still perform the xform by moving M up to the first memcpy.
795   //
796   // NOTE: This is conservative, it will stop on any read from the source loc,
797   // not just the defining memcpy.
798   MemDepResult SourceDep =
799     MD->getPointerDependencyFrom(AA.getLocationForSource(MDep),
800                                  false, M, M->getParent());
801   if (!SourceDep.isClobber() || SourceDep.getInst() != MDep)
802     return false;
803
804   // If the dest of the second might alias the source of the first, then the
805   // source and dest might overlap.  We still want to eliminate the intermediate
806   // value, but we have to generate a memmove instead of memcpy.
807   bool UseMemMove = false;
808   if (!AA.isNoAlias(AA.getLocationForDest(M), AA.getLocationForSource(MDep)))
809     UseMemMove = true;
810
811   // If all checks passed, then we can transform M.
812
813   // Make sure to use the lesser of the alignment of the source and the dest
814   // since we're changing where we're reading from, but don't want to increase
815   // the alignment past what can be read from or written to.
816   // TODO: Is this worth it if we're creating a less aligned memcpy? For
817   // example we could be moving from movaps -> movq on x86.
818   unsigned Align = std::min(MDep->getAlignment(), M->getAlignment());
819
820   IRBuilder<> Builder(M);
821   if (UseMemMove)
822     Builder.CreateMemMove(M->getRawDest(), MDep->getRawSource(), M->getLength(),
823                           Align, M->isVolatile());
824   else
825     Builder.CreateMemCpy(M->getRawDest(), MDep->getRawSource(), M->getLength(),
826                          Align, M->isVolatile());
827
828   // Remove the instruction we're replacing.
829   MD->removeInstruction(M);
830   M->eraseFromParent();
831   ++NumMemCpyInstr;
832   return true;
833 }
834
835
836 /// processMemCpy - perform simplification of memcpy's.  If we have memcpy A
837 /// which copies X to Y, and memcpy B which copies Y to Z, then we can rewrite
838 /// B to be a memcpy from X to Z (or potentially a memmove, depending on
839 /// circumstances). This allows later passes to remove the first memcpy
840 /// altogether.
841 bool MemCpyOpt::processMemCpy(MemCpyInst *M) {
842   // We can only optimize non-volatile memcpy's.
843   if (M->isVolatile()) return false;
844
845   // If the source and destination of the memcpy are the same, then zap it.
846   if (M->getSource() == M->getDest()) {
847     MD->removeInstruction(M);
848     M->eraseFromParent();
849     return false;
850   }
851
852   // If copying from a constant, try to turn the memcpy into a memset.
853   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(M->getSource()))
854     if (GV->isConstant() && GV->hasDefinitiveInitializer())
855       if (Value *ByteVal = isBytewiseValue(GV->getInitializer())) {
856         IRBuilder<> Builder(M);
857         Builder.CreateMemSet(M->getRawDest(), ByteVal, M->getLength(),
858                              M->getAlignment(), false);
859         MD->removeInstruction(M);
860         M->eraseFromParent();
861         ++NumCpyToSet;
862         return true;
863       }
864
865   // The optimizations after this point require the memcpy size.
866   ConstantInt *CopySize = dyn_cast<ConstantInt>(M->getLength());
867   if (!CopySize) return false;
868
869   // The are three possible optimizations we can do for memcpy:
870   //   a) memcpy-memcpy xform which exposes redundance for DSE.
871   //   b) call-memcpy xform for return slot optimization.
872   //   c) memcpy from freshly alloca'd space or space that has just started its
873   //      lifetime copies undefined data, and we can therefore eliminate the
874   //      memcpy in favor of the data that was already at the destination.
875   MemDepResult DepInfo = MD->getDependency(M);
876   if (DepInfo.isClobber()) {
877     if (CallInst *C = dyn_cast<CallInst>(DepInfo.getInst())) {
878       if (performCallSlotOptzn(M, M->getDest(), M->getSource(),
879                                CopySize->getZExtValue(), M->getAlignment(),
880                                C)) {
881         MD->removeInstruction(M);
882         M->eraseFromParent();
883         return true;
884       }
885     }
886   }
887
888   AliasAnalysis::Location SrcLoc = AliasAnalysis::getLocationForSource(M);
889   MemDepResult SrcDepInfo = MD->getPointerDependencyFrom(SrcLoc, true,
890                                                          M, M->getParent());
891   if (SrcDepInfo.isClobber()) {
892     if (MemCpyInst *MDep = dyn_cast<MemCpyInst>(SrcDepInfo.getInst()))
893       return processMemCpyMemCpyDependence(M, MDep, CopySize->getZExtValue());
894   } else if (SrcDepInfo.isDef()) {
895     Instruction *I = SrcDepInfo.getInst();
896     bool hasUndefContents = false;
897
898     if (isa<AllocaInst>(I)) {
899       hasUndefContents = true;
900     } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
901       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
902         if (ConstantInt *LTSize = dyn_cast<ConstantInt>(II->getArgOperand(0)))
903           if (LTSize->getZExtValue() >= CopySize->getZExtValue())
904             hasUndefContents = true;
905     }
906
907     if (hasUndefContents) {
908       MD->removeInstruction(M);
909       M->eraseFromParent();
910       ++NumMemCpyInstr;
911       return true;
912     }
913   }
914
915   return false;
916 }
917
918 /// processMemMove - Transforms memmove calls to memcpy calls when the src/dst
919 /// are guaranteed not to alias.
920 bool MemCpyOpt::processMemMove(MemMoveInst *M) {
921   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
922
923   if (!TLI->has(LibFunc::memmove))
924     return false;
925
926   // See if the pointers alias.
927   if (!AA.isNoAlias(AA.getLocationForDest(M), AA.getLocationForSource(M)))
928     return false;
929
930   DEBUG(dbgs() << "MemCpyOpt: Optimizing memmove -> memcpy: " << *M << "\n");
931
932   // If not, then we know we can transform this.
933   Module *Mod = M->getParent()->getParent()->getParent();
934   Type *ArgTys[3] = { M->getRawDest()->getType(),
935                       M->getRawSource()->getType(),
936                       M->getLength()->getType() };
937   M->setCalledFunction(Intrinsic::getDeclaration(Mod, Intrinsic::memcpy,
938                                                  ArgTys));
939
940   // MemDep may have over conservative information about this instruction, just
941   // conservatively flush it from the cache.
942   MD->removeInstruction(M);
943
944   ++NumMoveToCpy;
945   return true;
946 }
947
948 /// processByValArgument - This is called on every byval argument in call sites.
949 bool MemCpyOpt::processByValArgument(CallSite CS, unsigned ArgNo) {
950   if (!DL) return false;
951
952   // Find out what feeds this byval argument.
953   Value *ByValArg = CS.getArgument(ArgNo);
954   Type *ByValTy = cast<PointerType>(ByValArg->getType())->getElementType();
955   uint64_t ByValSize = DL->getTypeAllocSize(ByValTy);
956   MemDepResult DepInfo =
957     MD->getPointerDependencyFrom(AliasAnalysis::Location(ByValArg, ByValSize),
958                                  true, CS.getInstruction(),
959                                  CS.getInstruction()->getParent());
960   if (!DepInfo.isClobber())
961     return false;
962
963   // If the byval argument isn't fed by a memcpy, ignore it.  If it is fed by
964   // a memcpy, see if we can byval from the source of the memcpy instead of the
965   // result.
966   MemCpyInst *MDep = dyn_cast<MemCpyInst>(DepInfo.getInst());
967   if (!MDep || MDep->isVolatile() ||
968       ByValArg->stripPointerCasts() != MDep->getDest())
969     return false;
970
971   // The length of the memcpy must be larger or equal to the size of the byval.
972   ConstantInt *C1 = dyn_cast<ConstantInt>(MDep->getLength());
973   if (!C1 || C1->getValue().getZExtValue() < ByValSize)
974     return false;
975
976   // Get the alignment of the byval.  If the call doesn't specify the alignment,
977   // then it is some target specific value that we can't know.
978   unsigned ByValAlign = CS.getParamAlignment(ArgNo+1);
979   if (ByValAlign == 0) return false;
980
981   // If it is greater than the memcpy, then we check to see if we can force the
982   // source of the memcpy to the alignment we need.  If we fail, we bail out.
983   AssumptionTracker *AT = &getAnalysis<AssumptionTracker>();
984   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
985   if (MDep->getAlignment() < ByValAlign &&
986       getOrEnforceKnownAlignment(MDep->getSource(),ByValAlign,
987                                  DL, AT, CS.getInstruction(), &DT) < ByValAlign)
988     return false;
989
990   // Verify that the copied-from memory doesn't change in between the memcpy and
991   // the byval call.
992   //    memcpy(a <- b)
993   //    *b = 42;
994   //    foo(*a)
995   // It would be invalid to transform the second memcpy into foo(*b).
996   //
997   // NOTE: This is conservative, it will stop on any read from the source loc,
998   // not just the defining memcpy.
999   MemDepResult SourceDep =
1000     MD->getPointerDependencyFrom(AliasAnalysis::getLocationForSource(MDep),
1001                                  false, CS.getInstruction(), MDep->getParent());
1002   if (!SourceDep.isClobber() || SourceDep.getInst() != MDep)
1003     return false;
1004
1005   Value *TmpCast = MDep->getSource();
1006   if (MDep->getSource()->getType() != ByValArg->getType())
1007     TmpCast = new BitCastInst(MDep->getSource(), ByValArg->getType(),
1008                               "tmpcast", CS.getInstruction());
1009
1010   DEBUG(dbgs() << "MemCpyOpt: Forwarding memcpy to byval:\n"
1011                << "  " << *MDep << "\n"
1012                << "  " << *CS.getInstruction() << "\n");
1013
1014   // Otherwise we're good!  Update the byval argument.
1015   CS.setArgument(ArgNo, TmpCast);
1016   ++NumMemCpyInstr;
1017   return true;
1018 }
1019
1020 /// iterateOnFunction - Executes one iteration of MemCpyOpt.
1021 bool MemCpyOpt::iterateOnFunction(Function &F) {
1022   bool MadeChange = false;
1023
1024   // Walk all instruction in the function.
1025   for (Function::iterator BB = F.begin(), BBE = F.end(); BB != BBE; ++BB) {
1026     for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(), BE = BB->end(); BI != BE;) {
1027       // Avoid invalidating the iterator.
1028       Instruction *I = BI++;
1029
1030       bool RepeatInstruction = false;
1031
1032       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
1033         MadeChange |= processStore(SI, BI);
1034       else if (MemSetInst *M = dyn_cast<MemSetInst>(I))
1035         RepeatInstruction = processMemSet(M, BI);
1036       else if (MemCpyInst *M = dyn_cast<MemCpyInst>(I))
1037         RepeatInstruction = processMemCpy(M);
1038       else if (MemMoveInst *M = dyn_cast<MemMoveInst>(I))
1039         RepeatInstruction = processMemMove(M);
1040       else if (CallSite CS = (Value*)I) {
1041         for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
1042           if (CS.isByValArgument(i))
1043             MadeChange |= processByValArgument(CS, i);
1044       }
1045
1046       // Reprocess the instruction if desired.
1047       if (RepeatInstruction) {
1048         if (BI != BB->begin()) --BI;
1049         MadeChange = true;
1050       }
1051     }
1052   }
1053
1054   return MadeChange;
1055 }
1056
1057 // MemCpyOpt::runOnFunction - This is the main transformation entry point for a
1058 // function.
1059 //
1060 bool MemCpyOpt::runOnFunction(Function &F) {
1061   if (skipOptnoneFunction(F))
1062     return false;
1063
1064   bool MadeChange = false;
1065   MD = &getAnalysis<MemoryDependenceAnalysis>();
1066   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1067   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1068   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
1069
1070   // If we don't have at least memset and memcpy, there is little point of doing
1071   // anything here.  These are required by a freestanding implementation, so if
1072   // even they are disabled, there is no point in trying hard.
1073   if (!TLI->has(LibFunc::memset) || !TLI->has(LibFunc::memcpy))
1074     return false;
1075
1076   while (1) {
1077     if (!iterateOnFunction(F))
1078       break;
1079     MadeChange = true;
1080   }
1081
1082   MD = nullptr;
1083   return MadeChange;
1084 }