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