[RS4GC] Cosmetic cleanup, NFC
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / RewriteStatepointsForGC.cpp
1 //===- RewriteStatepointsForGC.cpp - Make GC relocations explicit ---------===//
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 // Rewrite an existing set of gc.statepoints such that they make potential
11 // relocations performed by the garbage collector explicit in the IR.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #include "llvm/Pass.h"
16 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
17 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
18 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
19 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
20 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
21 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
22 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
23 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
24 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
25 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
26 #include "llvm/IR/CallSite.h"
27 #include "llvm/IR/Dominators.h"
28 #include "llvm/IR/Function.h"
29 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
30 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
31 #include "llvm/IR/Instructions.h"
32 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
33 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
34 #include "llvm/IR/Module.h"
35 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
36 #include "llvm/IR/Statepoint.h"
37 #include "llvm/IR/Value.h"
38 #include "llvm/IR/Verifier.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
41 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
46
47 #define DEBUG_TYPE "rewrite-statepoints-for-gc"
48
49 using namespace llvm;
50
51 // Print the liveset found at the insert location
52 static cl::opt<bool> PrintLiveSet("spp-print-liveset", cl::Hidden,
53                                   cl::init(false));
54 static cl::opt<bool> PrintLiveSetSize("spp-print-liveset-size", cl::Hidden,
55                                       cl::init(false));
56 // Print out the base pointers for debugging
57 static cl::opt<bool> PrintBasePointers("spp-print-base-pointers", cl::Hidden,
58                                        cl::init(false));
59
60 // Cost threshold measuring when it is profitable to rematerialize value instead
61 // of relocating it
62 static cl::opt<unsigned>
63 RematerializationThreshold("spp-rematerialization-threshold", cl::Hidden,
64                            cl::init(6));
65
66 #ifdef XDEBUG
67 static bool ClobberNonLive = true;
68 #else
69 static bool ClobberNonLive = false;
70 #endif
71 static cl::opt<bool, true> ClobberNonLiveOverride("rs4gc-clobber-non-live",
72                                                   cl::location(ClobberNonLive),
73                                                   cl::Hidden);
74
75 namespace {
76 struct RewriteStatepointsForGC : public ModulePass {
77   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
78
79   RewriteStatepointsForGC() : ModulePass(ID) {
80     initializeRewriteStatepointsForGCPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
81   }
82   bool runOnFunction(Function &F);
83   bool runOnModule(Module &M) override {
84     bool Changed = false;
85     for (Function &F : M)
86       Changed |= runOnFunction(F);
87
88     if (Changed) {
89       // stripDereferenceabilityInfo asserts that shouldRewriteStatepointsIn
90       // returns true for at least one function in the module.  Since at least
91       // one function changed, we know that the precondition is satisfied.
92       stripDereferenceabilityInfo(M);
93     }
94
95     return Changed;
96   }
97
98   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
99     // We add and rewrite a bunch of instructions, but don't really do much
100     // else.  We could in theory preserve a lot more analyses here.
101     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
102     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
103   }
104
105   /// The IR fed into RewriteStatepointsForGC may have had attributes implying
106   /// dereferenceability that are no longer valid/correct after
107   /// RewriteStatepointsForGC has run.  This is because semantically, after
108   /// RewriteStatepointsForGC runs, all calls to gc.statepoint "free" the entire
109   /// heap.  stripDereferenceabilityInfo (conservatively) restores correctness
110   /// by erasing all attributes in the module that externally imply
111   /// dereferenceability.
112   ///
113   void stripDereferenceabilityInfo(Module &M);
114
115   // Helpers for stripDereferenceabilityInfo
116   void stripDereferenceabilityInfoFromBody(Function &F);
117   void stripDereferenceabilityInfoFromPrototype(Function &F);
118 };
119 } // namespace
120
121 char RewriteStatepointsForGC::ID = 0;
122
123 ModulePass *llvm::createRewriteStatepointsForGCPass() {
124   return new RewriteStatepointsForGC();
125 }
126
127 INITIALIZE_PASS_BEGIN(RewriteStatepointsForGC, "rewrite-statepoints-for-gc",
128                       "Make relocations explicit at statepoints", false, false)
129 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
130 INITIALIZE_PASS_END(RewriteStatepointsForGC, "rewrite-statepoints-for-gc",
131                     "Make relocations explicit at statepoints", false, false)
132
133 namespace {
134 struct GCPtrLivenessData {
135   /// Values defined in this block.
136   DenseMap<BasicBlock *, DenseSet<Value *>> KillSet;
137   /// Values used in this block (and thus live); does not included values
138   /// killed within this block.
139   DenseMap<BasicBlock *, DenseSet<Value *>> LiveSet;
140
141   /// Values live into this basic block (i.e. used by any
142   /// instruction in this basic block or ones reachable from here)
143   DenseMap<BasicBlock *, DenseSet<Value *>> LiveIn;
144
145   /// Values live out of this basic block (i.e. live into
146   /// any successor block)
147   DenseMap<BasicBlock *, DenseSet<Value *>> LiveOut;
148 };
149
150 // The type of the internal cache used inside the findBasePointers family
151 // of functions.  From the callers perspective, this is an opaque type and
152 // should not be inspected.
153 //
154 // In the actual implementation this caches two relations:
155 // - The base relation itself (i.e. this pointer is based on that one)
156 // - The base defining value relation (i.e. before base_phi insertion)
157 // Generally, after the execution of a full findBasePointer call, only the
158 // base relation will remain.  Internally, we add a mixture of the two
159 // types, then update all the second type to the first type
160 typedef DenseMap<Value *, Value *> DefiningValueMapTy;
161 typedef DenseSet<Value *> StatepointLiveSetTy;
162 typedef DenseMap<Instruction *, Value *> RematerializedValueMapTy;
163
164 struct PartiallyConstructedSafepointRecord {
165   /// The set of values known to be live across this safepoint
166   StatepointLiveSetTy LiveSet;
167
168   /// Mapping from live pointers to a base-defining-value
169   DenseMap<Value *, Value *> PointerToBase;
170
171   /// The *new* gc.statepoint instruction itself.  This produces the token
172   /// that normal path gc.relocates and the gc.result are tied to.
173   Instruction *StatepointToken;
174
175   /// Instruction to which exceptional gc relocates are attached
176   /// Makes it easier to iterate through them during relocationViaAlloca.
177   Instruction *UnwindToken;
178
179   /// Record live values we are rematerialized instead of relocating.
180   /// They are not included into 'LiveSet' field.
181   /// Maps rematerialized copy to it's original value.
182   RematerializedValueMapTy RematerializedValues;
183 };
184 }
185
186 /// Compute the live-in set for every basic block in the function
187 static void computeLiveInValues(DominatorTree &DT, Function &F,
188                                 GCPtrLivenessData &Data);
189
190 /// Given results from the dataflow liveness computation, find the set of live
191 /// Values at a particular instruction.
192 static void findLiveSetAtInst(Instruction *inst, GCPtrLivenessData &Data,
193                               StatepointLiveSetTy &out);
194
195 // TODO: Once we can get to the GCStrategy, this becomes
196 // Optional<bool> isGCManagedPointer(const Value *V) const override {
197
198 static bool isGCPointerType(Type *T) {
199   if (auto *PT = dyn_cast<PointerType>(T))
200     // For the sake of this example GC, we arbitrarily pick addrspace(1) as our
201     // GC managed heap.  We know that a pointer into this heap needs to be
202     // updated and that no other pointer does.
203     return (1 == PT->getAddressSpace());
204   return false;
205 }
206
207 // Return true if this type is one which a) is a gc pointer or contains a GC
208 // pointer and b) is of a type this code expects to encounter as a live value.
209 // (The insertion code will assert that a type which matches (a) and not (b)
210 // is not encountered.)
211 static bool isHandledGCPointerType(Type *T) {
212   // We fully support gc pointers
213   if (isGCPointerType(T))
214     return true;
215   // We partially support vectors of gc pointers. The code will assert if it
216   // can't handle something.
217   if (auto VT = dyn_cast<VectorType>(T))
218     if (isGCPointerType(VT->getElementType()))
219       return true;
220   return false;
221 }
222
223 #ifndef NDEBUG
224 /// Returns true if this type contains a gc pointer whether we know how to
225 /// handle that type or not.
226 static bool containsGCPtrType(Type *Ty) {
227   if (isGCPointerType(Ty))
228     return true;
229   if (VectorType *VT = dyn_cast<VectorType>(Ty))
230     return isGCPointerType(VT->getScalarType());
231   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(Ty))
232     return containsGCPtrType(AT->getElementType());
233   if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(Ty))
234     return std::any_of(
235         ST->subtypes().begin(), ST->subtypes().end(),
236         [](Type *SubType) { return containsGCPtrType(SubType); });
237   return false;
238 }
239
240 // Returns true if this is a type which a) is a gc pointer or contains a GC
241 // pointer and b) is of a type which the code doesn't expect (i.e. first class
242 // aggregates).  Used to trip assertions.
243 static bool isUnhandledGCPointerType(Type *Ty) {
244   return containsGCPtrType(Ty) && !isHandledGCPointerType(Ty);
245 }
246 #endif
247
248 static bool order_by_name(Value *a, Value *b) {
249   if (a->hasName() && b->hasName()) {
250     return -1 == a->getName().compare(b->getName());
251   } else if (a->hasName() && !b->hasName()) {
252     return true;
253   } else if (!a->hasName() && b->hasName()) {
254     return false;
255   } else {
256     // Better than nothing, but not stable
257     return a < b;
258   }
259 }
260
261 // Return the name of the value suffixed with the provided value, or if the
262 // value didn't have a name, the default value specified.
263 static std::string suffixed_name_or(Value *V, StringRef Suffix,
264                                     StringRef DefaultName) {
265   return V->hasName() ? (V->getName() + Suffix).str() : DefaultName.str();
266 }
267
268 // Conservatively identifies any definitions which might be live at the
269 // given instruction. The  analysis is performed immediately before the
270 // given instruction. Values defined by that instruction are not considered
271 // live.  Values used by that instruction are considered live.
272 static void analyzeParsePointLiveness(
273     DominatorTree &DT, GCPtrLivenessData &OriginalLivenessData,
274     const CallSite &CS, PartiallyConstructedSafepointRecord &result) {
275   Instruction *inst = CS.getInstruction();
276
277   StatepointLiveSetTy LiveSet;
278   findLiveSetAtInst(inst, OriginalLivenessData, LiveSet);
279
280   if (PrintLiveSet) {
281     // Note: This output is used by several of the test cases
282     // The order of elements in a set is not stable, put them in a vec and sort
283     // by name
284     SmallVector<Value *, 64> Temp;
285     Temp.insert(Temp.end(), LiveSet.begin(), LiveSet.end());
286     std::sort(Temp.begin(), Temp.end(), order_by_name);
287     errs() << "Live Variables:\n";
288     for (Value *V : Temp)
289       dbgs() << " " << V->getName() << " " << *V << "\n";
290   }
291   if (PrintLiveSetSize) {
292     errs() << "Safepoint For: " << CS.getCalledValue()->getName() << "\n";
293     errs() << "Number live values: " << LiveSet.size() << "\n";
294   }
295   result.LiveSet = LiveSet;
296 }
297
298 static bool isKnownBaseResult(Value *V);
299 namespace {
300 /// A single base defining value - An immediate base defining value for an
301 /// instruction 'Def' is an input to 'Def' whose base is also a base of 'Def'.
302 /// For instructions which have multiple pointer [vector] inputs or that
303 /// transition between vector and scalar types, there is no immediate base
304 /// defining value.  The 'base defining value' for 'Def' is the transitive
305 /// closure of this relation stopping at the first instruction which has no
306 /// immediate base defining value.  The b.d.v. might itself be a base pointer,
307 /// but it can also be an arbitrary derived pointer. 
308 struct BaseDefiningValueResult {
309   /// Contains the value which is the base defining value.
310   Value * const BDV;
311   /// True if the base defining value is also known to be an actual base
312   /// pointer.
313   const bool IsKnownBase;
314   BaseDefiningValueResult(Value *BDV, bool IsKnownBase)
315     : BDV(BDV), IsKnownBase(IsKnownBase) {
316 #ifndef NDEBUG
317     // Check consistency between new and old means of checking whether a BDV is
318     // a base.
319     bool MustBeBase = isKnownBaseResult(BDV);
320     assert(!MustBeBase || MustBeBase == IsKnownBase);
321 #endif
322   }
323 };
324 }
325
326 static BaseDefiningValueResult findBaseDefiningValue(Value *I);
327
328 /// Return a base defining value for the 'Index' element of the given vector
329 /// instruction 'I'.  If Index is null, returns a BDV for the entire vector
330 /// 'I'.  As an optimization, this method will try to determine when the 
331 /// element is known to already be a base pointer.  If this can be established,
332 /// the second value in the returned pair will be true.  Note that either a
333 /// vector or a pointer typed value can be returned.  For the former, the
334 /// vector returned is a BDV (and possibly a base) of the entire vector 'I'.
335 /// If the later, the return pointer is a BDV (or possibly a base) for the
336 /// particular element in 'I'.  
337 static BaseDefiningValueResult
338 findBaseDefiningValueOfVector(Value *I) {
339   assert(I->getType()->isVectorTy() &&
340          cast<VectorType>(I->getType())->getElementType()->isPointerTy() &&
341          "Illegal to ask for the base pointer of a non-pointer type");
342
343   // Each case parallels findBaseDefiningValue below, see that code for
344   // detailed motivation.
345
346   if (isa<Argument>(I))
347     // An incoming argument to the function is a base pointer
348     return BaseDefiningValueResult(I, true);
349
350   // We shouldn't see the address of a global as a vector value?
351   assert(!isa<GlobalVariable>(I) &&
352          "unexpected global variable found in base of vector");
353
354   // inlining could possibly introduce phi node that contains
355   // undef if callee has multiple returns
356   if (isa<UndefValue>(I))
357     // utterly meaningless, but useful for dealing with partially optimized
358     // code.
359     return BaseDefiningValueResult(I, true);
360
361   // Due to inheritance, this must be _after_ the global variable and undef
362   // checks
363   if (Constant *Con = dyn_cast<Constant>(I)) {
364     assert(!isa<GlobalVariable>(I) && !isa<UndefValue>(I) &&
365            "order of checks wrong!");
366     assert(Con->isNullValue() && "null is the only case which makes sense");
367     return BaseDefiningValueResult(Con, true);
368   }
369   
370   if (isa<LoadInst>(I))
371     return BaseDefiningValueResult(I, true);
372
373   if (isa<InsertElementInst>(I))
374     // We don't know whether this vector contains entirely base pointers or
375     // not.  To be conservatively correct, we treat it as a BDV and will
376     // duplicate code as needed to construct a parallel vector of bases.
377     return BaseDefiningValueResult(I, false);
378
379   if (isa<ShuffleVectorInst>(I))
380     // We don't know whether this vector contains entirely base pointers or
381     // not.  To be conservatively correct, we treat it as a BDV and will
382     // duplicate code as needed to construct a parallel vector of bases.
383     // TODO: There a number of local optimizations which could be applied here
384     // for particular sufflevector patterns.
385     return BaseDefiningValueResult(I, false);
386
387   // A PHI or Select is a base defining value.  The outer findBasePointer
388   // algorithm is responsible for constructing a base value for this BDV.
389   assert((isa<SelectInst>(I) || isa<PHINode>(I)) &&
390          "unknown vector instruction - no base found for vector element");
391   return BaseDefiningValueResult(I, false);
392 }
393
394 /// Helper function for findBasePointer - Will return a value which either a)
395 /// defines the base pointer for the input, b) blocks the simple search
396 /// (i.e. a PHI or Select of two derived pointers), or c) involves a change
397 /// from pointer to vector type or back.
398 static BaseDefiningValueResult findBaseDefiningValue(Value *I) {
399   if (I->getType()->isVectorTy())
400     return findBaseDefiningValueOfVector(I);
401   
402   assert(I->getType()->isPointerTy() &&
403          "Illegal to ask for the base pointer of a non-pointer type");
404
405   if (isa<Argument>(I))
406     // An incoming argument to the function is a base pointer
407     // We should have never reached here if this argument isn't an gc value
408     return BaseDefiningValueResult(I, true);
409
410   if (isa<GlobalVariable>(I))
411     // base case
412     return BaseDefiningValueResult(I, true);
413
414   // inlining could possibly introduce phi node that contains
415   // undef if callee has multiple returns
416   if (isa<UndefValue>(I))
417     // utterly meaningless, but useful for dealing with
418     // partially optimized code.
419     return BaseDefiningValueResult(I, true);
420
421   // Due to inheritance, this must be _after_ the global variable and undef
422   // checks
423   if (isa<Constant>(I)) {
424     assert(!isa<GlobalVariable>(I) && !isa<UndefValue>(I) &&
425            "order of checks wrong!");
426     // Note: Finding a constant base for something marked for relocation
427     // doesn't really make sense.  The most likely case is either a) some
428     // screwed up the address space usage or b) your validating against
429     // compiled C++ code w/o the proper separation.  The only real exception
430     // is a null pointer.  You could have generic code written to index of
431     // off a potentially null value and have proven it null.  We also use
432     // null pointers in dead paths of relocation phis (which we might later
433     // want to find a base pointer for).
434     assert(isa<ConstantPointerNull>(I) &&
435            "null is the only case which makes sense");
436     return BaseDefiningValueResult(I, true);
437   }
438
439   if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(I)) {
440     Value *Def = CI->stripPointerCasts();
441     // If we find a cast instruction here, it means we've found a cast which is
442     // not simply a pointer cast (i.e. an inttoptr).  We don't know how to
443     // handle int->ptr conversion.
444     assert(!isa<CastInst>(Def) && "shouldn't find another cast here");
445     return findBaseDefiningValue(Def);
446   }
447
448   if (isa<LoadInst>(I))
449     // The value loaded is an gc base itself
450     return BaseDefiningValueResult(I, true);
451   
452
453   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I))
454     // The base of this GEP is the base
455     return findBaseDefiningValue(GEP->getPointerOperand());
456
457   if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
458     switch (II->getIntrinsicID()) {
459     case Intrinsic::experimental_gc_result_ptr:
460     default:
461       // fall through to general call handling
462       break;
463     case Intrinsic::experimental_gc_statepoint:
464     case Intrinsic::experimental_gc_result_float:
465     case Intrinsic::experimental_gc_result_int:
466       llvm_unreachable("these don't produce pointers");
467     case Intrinsic::experimental_gc_relocate: {
468       // Rerunning safepoint insertion after safepoints are already
469       // inserted is not supported.  It could probably be made to work,
470       // but why are you doing this?  There's no good reason.
471       llvm_unreachable("repeat safepoint insertion is not supported");
472     }
473     case Intrinsic::gcroot:
474       // Currently, this mechanism hasn't been extended to work with gcroot.
475       // There's no reason it couldn't be, but I haven't thought about the
476       // implications much.
477       llvm_unreachable(
478           "interaction with the gcroot mechanism is not supported");
479     }
480   }
481   // We assume that functions in the source language only return base
482   // pointers.  This should probably be generalized via attributes to support
483   // both source language and internal functions.
484   if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
485     return BaseDefiningValueResult(I, true);
486
487   // I have absolutely no idea how to implement this part yet.  It's not
488   // necessarily hard, I just haven't really looked at it yet.
489   assert(!isa<LandingPadInst>(I) && "Landing Pad is unimplemented");
490
491   if (isa<AtomicCmpXchgInst>(I))
492     // A CAS is effectively a atomic store and load combined under a
493     // predicate.  From the perspective of base pointers, we just treat it
494     // like a load.
495     return BaseDefiningValueResult(I, true);
496
497   assert(!isa<AtomicRMWInst>(I) && "Xchg handled above, all others are "
498                                    "binary ops which don't apply to pointers");
499
500   // The aggregate ops.  Aggregates can either be in the heap or on the
501   // stack, but in either case, this is simply a field load.  As a result,
502   // this is a defining definition of the base just like a load is.
503   if (isa<ExtractValueInst>(I))
504     return BaseDefiningValueResult(I, true);
505
506   // We should never see an insert vector since that would require we be
507   // tracing back a struct value not a pointer value.
508   assert(!isa<InsertValueInst>(I) &&
509          "Base pointer for a struct is meaningless");
510
511   // An extractelement produces a base result exactly when it's input does.
512   // We may need to insert a parallel instruction to extract the appropriate
513   // element out of the base vector corresponding to the input. Given this,
514   // it's analogous to the phi and select case even though it's not a merge.
515   if (isa<ExtractElementInst>(I))
516     // Note: There a lot of obvious peephole cases here.  This are deliberately
517     // handled after the main base pointer inference algorithm to make writing
518     // test cases to exercise that code easier.
519     return BaseDefiningValueResult(I, false);
520
521   // The last two cases here don't return a base pointer.  Instead, they
522   // return a value which dynamically selects from among several base
523   // derived pointers (each with it's own base potentially).  It's the job of
524   // the caller to resolve these.
525   assert((isa<SelectInst>(I) || isa<PHINode>(I)) &&
526          "missing instruction case in findBaseDefiningValing");
527   return BaseDefiningValueResult(I, false);
528 }
529
530 /// Returns the base defining value for this value.
531 static Value *findBaseDefiningValueCached(Value *I, DefiningValueMapTy &Cache) {
532   Value *&Cached = Cache[I];
533   if (!Cached) {
534     Cached = findBaseDefiningValue(I).BDV;
535     DEBUG(dbgs() << "fBDV-cached: " << I->getName() << " -> "
536                  << Cached->getName() << "\n");
537   }
538   assert(Cache[I] != nullptr);
539   return Cached;
540 }
541
542 /// Return a base pointer for this value if known.  Otherwise, return it's
543 /// base defining value.
544 static Value *findBaseOrBDV(Value *I, DefiningValueMapTy &Cache) {
545   Value *Def = findBaseDefiningValueCached(I, Cache);
546   auto Found = Cache.find(Def);
547   if (Found != Cache.end()) {
548     // Either a base-of relation, or a self reference.  Caller must check.
549     return Found->second;
550   }
551   // Only a BDV available
552   return Def;
553 }
554
555 /// Given the result of a call to findBaseDefiningValue, or findBaseOrBDV,
556 /// is it known to be a base pointer?  Or do we need to continue searching.
557 static bool isKnownBaseResult(Value *V) {
558   if (!isa<PHINode>(V) && !isa<SelectInst>(V) &&
559       !isa<ExtractElementInst>(V) && !isa<InsertElementInst>(V) &&
560       !isa<ShuffleVectorInst>(V)) {
561     // no recursion possible
562     return true;
563   }
564   if (isa<Instruction>(V) &&
565       cast<Instruction>(V)->getMetadata("is_base_value")) {
566     // This is a previously inserted base phi or select.  We know
567     // that this is a base value.
568     return true;
569   }
570
571   // We need to keep searching
572   return false;
573 }
574
575 namespace {
576 /// Models the state of a single base defining value in the findBasePointer
577 /// algorithm for determining where a new instruction is needed to propagate
578 /// the base of this BDV.
579 class BDVState {
580 public:
581   enum Status { Unknown, Base, Conflict };
582
583   BDVState(Status s, Value *b = nullptr) : status(s), base(b) {
584     assert(status != Base || b);
585   }
586   explicit BDVState(Value *b) : status(Base), base(b) {}
587   BDVState() : status(Unknown), base(nullptr) {}
588
589   Status getStatus() const { return status; }
590   Value *getBase() const { return base; }
591
592   bool isBase() const { return getStatus() == Base; }
593   bool isUnknown() const { return getStatus() == Unknown; }
594   bool isConflict() const { return getStatus() == Conflict; }
595
596   bool operator==(const BDVState &other) const {
597     return base == other.base && status == other.status;
598   }
599
600   bool operator!=(const BDVState &other) const { return !(*this == other); }
601
602   LLVM_DUMP_METHOD
603   void dump() const { print(dbgs()); dbgs() << '\n'; }
604   
605   void print(raw_ostream &OS) const {
606     switch (status) {
607     case Unknown:
608       OS << "U";
609       break;
610     case Base:
611       OS << "B";
612       break;
613     case Conflict:
614       OS << "C";
615       break;
616     };
617     OS << " (" << base << " - "
618        << (base ? base->getName() : "nullptr") << "): ";
619   }
620
621 private:
622   Status status;
623   Value *base; // non null only if status == base
624 };
625 }
626
627 #ifndef NDEBUG
628 static raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS, const BDVState &State) {
629   State.print(OS);
630   return OS;
631 }
632 #endif
633
634 namespace {
635 // Values of type BDVState form a lattice, and this is a helper
636 // class that implementes the meet operation.  The meat of the meet
637 // operation is implemented in MeetBDVStates::pureMeet
638 class MeetBDVStates {
639 public:
640   /// Initializes the currentResult to the TOP state so that if can be met with
641   /// any other state to produce that state.
642   MeetBDVStates() {}
643
644   // Destructively meet the current result with the given BDVState
645   void meetWith(BDVState otherState) {
646     currentResult = meet(otherState, currentResult);
647   }
648
649   BDVState getResult() const { return currentResult; }
650
651 private:
652   BDVState currentResult;
653
654   /// Perform a meet operation on two elements of the BDVState lattice.
655   static BDVState meet(BDVState LHS, BDVState RHS) {
656     assert((pureMeet(LHS, RHS) == pureMeet(RHS, LHS)) &&
657            "math is wrong: meet does not commute!");
658     BDVState Result = pureMeet(LHS, RHS);
659     DEBUG(dbgs() << "meet of " << LHS << " with " << RHS
660                  << " produced " << Result << "\n");
661     return Result;
662   }
663
664   static BDVState pureMeet(const BDVState &stateA, const BDVState &stateB) {
665     switch (stateA.getStatus()) {
666     case BDVState::Unknown:
667       return stateB;
668
669     case BDVState::Base:
670       assert(stateA.getBase() && "can't be null");
671       if (stateB.isUnknown())
672         return stateA;
673
674       if (stateB.isBase()) {
675         if (stateA.getBase() == stateB.getBase()) {
676           assert(stateA == stateB && "equality broken!");
677           return stateA;
678         }
679         return BDVState(BDVState::Conflict);
680       }
681       assert(stateB.isConflict() && "only three states!");
682       return BDVState(BDVState::Conflict);
683
684     case BDVState::Conflict:
685       return stateA;
686     }
687     llvm_unreachable("only three states!");
688   }
689 };
690 }
691
692
693 /// For a given value or instruction, figure out what base ptr it's derived
694 /// from.  For gc objects, this is simply itself.  On success, returns a value
695 /// which is the base pointer.  (This is reliable and can be used for
696 /// relocation.)  On failure, returns nullptr.
697 static Value *findBasePointer(Value *I, DefiningValueMapTy &cache) {
698   Value *def = findBaseOrBDV(I, cache);
699
700   if (isKnownBaseResult(def)) {
701     return def;
702   }
703
704   // Here's the rough algorithm:
705   // - For every SSA value, construct a mapping to either an actual base
706   //   pointer or a PHI which obscures the base pointer.
707   // - Construct a mapping from PHI to unknown TOP state.  Use an
708   //   optimistic algorithm to propagate base pointer information.  Lattice
709   //   looks like:
710   //   UNKNOWN
711   //   b1 b2 b3 b4
712   //   CONFLICT
713   //   When algorithm terminates, all PHIs will either have a single concrete
714   //   base or be in a conflict state.
715   // - For every conflict, insert a dummy PHI node without arguments.  Add
716   //   these to the base[Instruction] = BasePtr mapping.  For every
717   //   non-conflict, add the actual base.
718   //  - For every conflict, add arguments for the base[a] of each input
719   //   arguments.
720   //
721   // Note: A simpler form of this would be to add the conflict form of all
722   // PHIs without running the optimistic algorithm.  This would be
723   // analogous to pessimistic data flow and would likely lead to an
724   // overall worse solution.
725
726 #ifndef NDEBUG
727   auto isExpectedBDVType = [](Value *BDV) {
728     return isa<PHINode>(BDV) || isa<SelectInst>(BDV) ||
729            isa<ExtractElementInst>(BDV) || isa<InsertElementInst>(BDV);
730   };
731 #endif
732
733   // Once populated, will contain a mapping from each potentially non-base BDV
734   // to a lattice value (described above) which corresponds to that BDV.
735   // We use the order of insertion (DFS over the def/use graph) to provide a
736   // stable deterministic ordering for visiting DenseMaps (which are unordered)
737   // below.  This is important for deterministic compilation.
738   MapVector<Value *, BDVState> States;
739
740   // Recursively fill in all base defining values reachable from the initial
741   // one for which we don't already know a definite base value for
742   /* scope */ {
743     SmallVector<Value*, 16> Worklist;
744     Worklist.push_back(def);
745     States.insert(std::make_pair(def, BDVState()));
746     while (!Worklist.empty()) {
747       Value *Current = Worklist.pop_back_val();
748       assert(!isKnownBaseResult(Current) && "why did it get added?");
749
750       auto visitIncomingValue = [&](Value *InVal) {
751         Value *Base = findBaseOrBDV(InVal, cache);
752         if (isKnownBaseResult(Base))
753           // Known bases won't need new instructions introduced and can be
754           // ignored safely
755           return;
756         assert(isExpectedBDVType(Base) && "the only non-base values "
757                "we see should be base defining values");
758         if (States.insert(std::make_pair(Base, BDVState())).second)
759           Worklist.push_back(Base);
760       };
761       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Current)) {
762         for (Value *InVal : Phi->incoming_values())
763           visitIncomingValue(InVal);
764       } else if (SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Current)) {
765         visitIncomingValue(Sel->getTrueValue());
766         visitIncomingValue(Sel->getFalseValue());
767       } else if (auto *EE = dyn_cast<ExtractElementInst>(Current)) {
768         visitIncomingValue(EE->getVectorOperand());
769       } else if (auto *IE = dyn_cast<InsertElementInst>(Current)) {
770         visitIncomingValue(IE->getOperand(0)); // vector operand
771         visitIncomingValue(IE->getOperand(1)); // scalar operand
772       } else {
773         // There is one known class of instructions we know we don't handle.
774         assert(isa<ShuffleVectorInst>(Current));
775         llvm_unreachable("unimplemented instruction case");
776       }
777     }
778   }
779
780 #ifndef NDEBUG
781   DEBUG(dbgs() << "States after initialization:\n");
782   for (auto Pair : States) {
783     DEBUG(dbgs() << " " << Pair.second << " for " << *Pair.first << "\n");
784   }
785 #endif
786
787   // Return a phi state for a base defining value.  We'll generate a new
788   // base state for known bases and expect to find a cached state otherwise.
789   auto getStateForBDV = [&](Value *baseValue) {
790     if (isKnownBaseResult(baseValue))
791       return BDVState(baseValue);
792     auto I = States.find(baseValue);
793     assert(I != States.end() && "lookup failed!");
794     return I->second;
795   };
796
797   bool progress = true;
798   while (progress) {
799 #ifndef NDEBUG
800     const size_t oldSize = States.size();
801 #endif
802     progress = false;
803     // We're only changing values in this loop, thus safe to keep iterators.
804     // Since this is computing a fixed point, the order of visit does not
805     // effect the result.  TODO: We could use a worklist here and make this run
806     // much faster.
807     for (auto Pair : States) {
808       Value *BDV = Pair.first;
809       assert(!isKnownBaseResult(BDV) && "why did it get added?");
810
811       // Given an input value for the current instruction, return a BDVState
812       // instance which represents the BDV of that value.
813       auto getStateForInput = [&](Value *V) mutable {
814         Value *BDV = findBaseOrBDV(V, cache);
815         return getStateForBDV(BDV);
816       };
817
818       MeetBDVStates calculateMeet;
819       if (SelectInst *select = dyn_cast<SelectInst>(BDV)) {
820         calculateMeet.meetWith(getStateForInput(select->getTrueValue()));
821         calculateMeet.meetWith(getStateForInput(select->getFalseValue()));
822       } else if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(BDV)) {
823         for (Value *Val : Phi->incoming_values())
824           calculateMeet.meetWith(getStateForInput(Val));
825       } else if (auto *EE = dyn_cast<ExtractElementInst>(BDV)) {
826         // The 'meet' for an extractelement is slightly trivial, but it's still
827         // useful in that it drives us to conflict if our input is.
828         calculateMeet.meetWith(getStateForInput(EE->getVectorOperand()));
829       } else {
830         // Given there's a inherent type mismatch between the operands, will
831         // *always* produce Conflict.
832         auto *IE = cast<InsertElementInst>(BDV);
833         calculateMeet.meetWith(getStateForInput(IE->getOperand(0)));
834         calculateMeet.meetWith(getStateForInput(IE->getOperand(1)));
835       }
836
837       BDVState oldState = States[BDV];
838       BDVState newState = calculateMeet.getResult();
839       if (oldState != newState) {
840         progress = true;
841         States[BDV] = newState;
842       }
843     }
844
845     assert(oldSize == States.size() &&
846            "fixed point shouldn't be adding any new nodes to state");
847   }
848
849 #ifndef NDEBUG
850   DEBUG(dbgs() << "States after meet iteration:\n");
851   for (auto Pair : States) {
852     DEBUG(dbgs() << " " << Pair.second << " for " << *Pair.first << "\n");
853   }
854 #endif
855   
856   // Insert Phis for all conflicts
857   // TODO: adjust naming patterns to avoid this order of iteration dependency
858   for (auto Pair : States) {
859     Instruction *I = cast<Instruction>(Pair.first);
860     BDVState State = Pair.second;
861     assert(!isKnownBaseResult(I) && "why did it get added?");
862     assert(!State.isUnknown() && "Optimistic algorithm didn't complete!");
863
864     // extractelement instructions are a bit special in that we may need to
865     // insert an extract even when we know an exact base for the instruction.
866     // The problem is that we need to convert from a vector base to a scalar
867     // base for the particular indice we're interested in.
868     if (State.isBase() && isa<ExtractElementInst>(I) &&
869         isa<VectorType>(State.getBase()->getType())) {
870       auto *EE = cast<ExtractElementInst>(I);
871       // TODO: In many cases, the new instruction is just EE itself.  We should
872       // exploit this, but can't do it here since it would break the invariant
873       // about the BDV not being known to be a base.
874       auto *BaseInst = ExtractElementInst::Create(State.getBase(),
875                                                   EE->getIndexOperand(),
876                                                   "base_ee", EE);
877       BaseInst->setMetadata("is_base_value", MDNode::get(I->getContext(), {}));
878       States[I] = BDVState(BDVState::Base, BaseInst);
879     }
880
881     // Since we're joining a vector and scalar base, they can never be the
882     // same.  As a result, we should always see insert element having reached
883     // the conflict state.
884     if (isa<InsertElementInst>(I)) {
885       assert(State.isConflict());
886     }
887     
888     if (!State.isConflict())
889       continue;
890
891     /// Create and insert a new instruction which will represent the base of
892     /// the given instruction 'I'.
893     auto MakeBaseInstPlaceholder = [](Instruction *I) -> Instruction* {
894       if (isa<PHINode>(I)) {
895         BasicBlock *BB = I->getParent();
896         int NumPreds = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB));
897         assert(NumPreds > 0 && "how did we reach here");
898         std::string Name = suffixed_name_or(I, ".base", "base_phi");
899         return PHINode::Create(I->getType(), NumPreds, Name, I);
900       } else if (SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(I)) {
901         // The undef will be replaced later
902         UndefValue *Undef = UndefValue::get(Sel->getType());
903         std::string Name = suffixed_name_or(I, ".base", "base_select");
904         return SelectInst::Create(Sel->getCondition(), Undef,
905                                   Undef, Name, Sel);
906       } else if (auto *EE = dyn_cast<ExtractElementInst>(I)) {
907         UndefValue *Undef = UndefValue::get(EE->getVectorOperand()->getType());
908         std::string Name = suffixed_name_or(I, ".base", "base_ee");
909         return ExtractElementInst::Create(Undef, EE->getIndexOperand(), Name,
910                                           EE);
911       } else {
912         auto *IE = cast<InsertElementInst>(I);
913         UndefValue *VecUndef = UndefValue::get(IE->getOperand(0)->getType());
914         UndefValue *ScalarUndef = UndefValue::get(IE->getOperand(1)->getType());
915         std::string Name = suffixed_name_or(I, ".base", "base_ie");
916         return InsertElementInst::Create(VecUndef, ScalarUndef,
917                                          IE->getOperand(2), Name, IE);
918       }
919
920     };
921     Instruction *BaseInst = MakeBaseInstPlaceholder(I);
922     // Add metadata marking this as a base value
923     BaseInst->setMetadata("is_base_value", MDNode::get(I->getContext(), {}));
924     States[I] = BDVState(BDVState::Conflict, BaseInst);
925   }
926
927   // Returns a instruction which produces the base pointer for a given
928   // instruction.  The instruction is assumed to be an input to one of the BDVs
929   // seen in the inference algorithm above.  As such, we must either already
930   // know it's base defining value is a base, or have inserted a new
931   // instruction to propagate the base of it's BDV and have entered that newly
932   // introduced instruction into the state table.  In either case, we are
933   // assured to be able to determine an instruction which produces it's base
934   // pointer. 
935   auto getBaseForInput = [&](Value *Input, Instruction *InsertPt) {
936     Value *BDV = findBaseOrBDV(Input, cache);
937     Value *Base = nullptr;
938     if (isKnownBaseResult(BDV)) {
939       Base = BDV;
940     } else {
941       // Either conflict or base.
942       assert(States.count(BDV));
943       Base = States[BDV].getBase();
944     }
945     assert(Base && "can't be null");
946     // The cast is needed since base traversal may strip away bitcasts
947     if (Base->getType() != Input->getType() &&
948         InsertPt) {
949       Base = new BitCastInst(Base, Input->getType(), "cast",
950                              InsertPt);
951     }
952     return Base;
953   };
954
955   // Fixup all the inputs of the new PHIs.  Visit order needs to be
956   // deterministic and predictable because we're naming newly created
957   // instructions.
958   for (auto Pair : States) {
959     Instruction *BDV = cast<Instruction>(Pair.first);
960     BDVState State = Pair.second;
961
962     assert(!isKnownBaseResult(BDV) && "why did it get added?");
963     assert(!State.isUnknown() && "Optimistic algorithm didn't complete!");
964     if (!State.isConflict())
965       continue;
966
967     if (PHINode *basephi = dyn_cast<PHINode>(State.getBase())) {
968       PHINode *phi = cast<PHINode>(BDV);
969       unsigned NumPHIValues = phi->getNumIncomingValues();
970       for (unsigned i = 0; i < NumPHIValues; i++) {
971         Value *InVal = phi->getIncomingValue(i);
972         BasicBlock *InBB = phi->getIncomingBlock(i);
973
974         // If we've already seen InBB, add the same incoming value
975         // we added for it earlier.  The IR verifier requires phi
976         // nodes with multiple entries from the same basic block
977         // to have the same incoming value for each of those
978         // entries.  If we don't do this check here and basephi
979         // has a different type than base, we'll end up adding two
980         // bitcasts (and hence two distinct values) as incoming
981         // values for the same basic block.
982
983         int blockIndex = basephi->getBasicBlockIndex(InBB);
984         if (blockIndex != -1) {
985           Value *oldBase = basephi->getIncomingValue(blockIndex);
986           basephi->addIncoming(oldBase, InBB);
987           
988 #ifndef NDEBUG
989           Value *Base = getBaseForInput(InVal, nullptr);
990           // In essence this assert states: the only way two
991           // values incoming from the same basic block may be
992           // different is by being different bitcasts of the same
993           // value.  A cleanup that remains TODO is changing
994           // findBaseOrBDV to return an llvm::Value of the correct
995           // type (and still remain pure).  This will remove the
996           // need to add bitcasts.
997           assert(Base->stripPointerCasts() == oldBase->stripPointerCasts() &&
998                  "sanity -- findBaseOrBDV should be pure!");
999 #endif
1000           continue;
1001         }
1002
1003         // Find the instruction which produces the base for each input.  We may
1004         // need to insert a bitcast in the incoming block.
1005         // TODO: Need to split critical edges if insertion is needed
1006         Value *Base = getBaseForInput(InVal, InBB->getTerminator());
1007         basephi->addIncoming(Base, InBB);
1008       }
1009       assert(basephi->getNumIncomingValues() == NumPHIValues);
1010     } else if (SelectInst *BaseSel = dyn_cast<SelectInst>(State.getBase())) {
1011       SelectInst *Sel = cast<SelectInst>(BDV);
1012       // Operand 1 & 2 are true, false path respectively. TODO: refactor to
1013       // something more safe and less hacky.
1014       for (int i = 1; i <= 2; i++) {
1015         Value *InVal = Sel->getOperand(i);
1016         // Find the instruction which produces the base for each input.  We may
1017         // need to insert a bitcast.
1018         Value *Base = getBaseForInput(InVal, BaseSel);
1019         BaseSel->setOperand(i, Base);
1020       }
1021     } else if (auto *BaseEE = dyn_cast<ExtractElementInst>(State.getBase())) {
1022       Value *InVal = cast<ExtractElementInst>(BDV)->getVectorOperand();
1023       // Find the instruction which produces the base for each input.  We may
1024       // need to insert a bitcast.
1025       Value *Base = getBaseForInput(InVal, BaseEE);
1026       BaseEE->setOperand(0, Base);
1027     } else {
1028       auto *BaseIE = cast<InsertElementInst>(State.getBase());
1029       auto *BdvIE = cast<InsertElementInst>(BDV);
1030       auto UpdateOperand = [&](int OperandIdx) {
1031         Value *InVal = BdvIE->getOperand(OperandIdx);
1032         Value *Base = getBaseForInput(InVal, BaseIE);
1033         BaseIE->setOperand(OperandIdx, Base);
1034       };
1035       UpdateOperand(0); // vector operand
1036       UpdateOperand(1); // scalar operand
1037     }
1038
1039   }
1040
1041   // Now that we're done with the algorithm, see if we can optimize the 
1042   // results slightly by reducing the number of new instructions needed. 
1043   // Arguably, this should be integrated into the algorithm above, but 
1044   // doing as a post process step is easier to reason about for the moment.
1045   DenseMap<Value *, Value *> ReverseMap;
1046   SmallPtrSet<Instruction *, 16> NewInsts;
1047   SmallSetVector<AssertingVH<Instruction>, 16> Worklist;
1048   // Note: We need to visit the states in a deterministic order.  We uses the
1049   // Keys we sorted above for this purpose.  Note that we are papering over a
1050   // bigger problem with the algorithm above - it's visit order is not
1051   // deterministic.  A larger change is needed to fix this.
1052   for (auto Pair : States) {
1053     auto *BDV = Pair.first;
1054     auto State = Pair.second;
1055     Value *Base = State.getBase();
1056     assert(BDV && Base);
1057     assert(!isKnownBaseResult(BDV) && "why did it get added?");
1058     assert(isKnownBaseResult(Base) &&
1059            "must be something we 'know' is a base pointer");
1060     if (!State.isConflict())
1061       continue;
1062
1063     ReverseMap[Base] = BDV;
1064     if (auto *BaseI = dyn_cast<Instruction>(Base)) {
1065       NewInsts.insert(BaseI);
1066       Worklist.insert(BaseI);
1067     }
1068   }
1069   auto ReplaceBaseInstWith = [&](Value *BDV, Instruction *BaseI,
1070                                  Value *Replacement) {
1071     // Add users which are new instructions (excluding self references)
1072     for (User *U : BaseI->users())
1073       if (auto *UI = dyn_cast<Instruction>(U))
1074         if (NewInsts.count(UI) && UI != BaseI)
1075           Worklist.insert(UI);
1076     // Then do the actual replacement
1077     NewInsts.erase(BaseI);
1078     ReverseMap.erase(BaseI);
1079     BaseI->replaceAllUsesWith(Replacement);
1080     BaseI->eraseFromParent();
1081     assert(States.count(BDV));
1082     assert(States[BDV].isConflict() && States[BDV].getBase() == BaseI);
1083     States[BDV] = BDVState(BDVState::Conflict, Replacement);
1084   };
1085   const DataLayout &DL = cast<Instruction>(def)->getModule()->getDataLayout();
1086   while (!Worklist.empty()) {
1087     Instruction *BaseI = Worklist.pop_back_val();
1088     assert(NewInsts.count(BaseI));
1089     Value *Bdv = ReverseMap[BaseI];
1090     if (auto *BdvI = dyn_cast<Instruction>(Bdv))
1091       if (BaseI->isIdenticalTo(BdvI)) {
1092         DEBUG(dbgs() << "Identical Base: " << *BaseI << "\n");
1093         ReplaceBaseInstWith(Bdv, BaseI, Bdv);
1094         continue;
1095       }
1096     if (Value *V = SimplifyInstruction(BaseI, DL)) {
1097       DEBUG(dbgs() << "Base " << *BaseI << " simplified to " << *V << "\n");
1098       ReplaceBaseInstWith(Bdv, BaseI, V);
1099       continue;
1100     }
1101   }
1102
1103   // Cache all of our results so we can cheaply reuse them
1104   // NOTE: This is actually two caches: one of the base defining value
1105   // relation and one of the base pointer relation!  FIXME
1106   for (auto Pair : States) {
1107     auto *BDV = Pair.first;
1108     Value *base = Pair.second.getBase();
1109     assert(BDV && base);
1110
1111     std::string fromstr = cache.count(BDV) ? cache[BDV]->getName() : "none";
1112     DEBUG(dbgs() << "Updating base value cache"
1113           << " for: " << BDV->getName()
1114           << " from: " << fromstr
1115           << " to: " << base->getName() << "\n");
1116
1117     if (cache.count(BDV)) {
1118       // Once we transition from the BDV relation being store in the cache to
1119       // the base relation being stored, it must be stable
1120       assert((!isKnownBaseResult(cache[BDV]) || cache[BDV] == base) &&
1121              "base relation should be stable");
1122     }
1123     cache[BDV] = base;
1124   }
1125   assert(cache.find(def) != cache.end());
1126   return cache[def];
1127 }
1128
1129 // For a set of live pointers (base and/or derived), identify the base
1130 // pointer of the object which they are derived from.  This routine will
1131 // mutate the IR graph as needed to make the 'base' pointer live at the
1132 // definition site of 'derived'.  This ensures that any use of 'derived' can
1133 // also use 'base'.  This may involve the insertion of a number of
1134 // additional PHI nodes.
1135 //
1136 // preconditions: live is a set of pointer type Values
1137 //
1138 // side effects: may insert PHI nodes into the existing CFG, will preserve
1139 // CFG, will not remove or mutate any existing nodes
1140 //
1141 // post condition: PointerToBase contains one (derived, base) pair for every
1142 // pointer in live.  Note that derived can be equal to base if the original
1143 // pointer was a base pointer.
1144 static void
1145 findBasePointers(const StatepointLiveSetTy &live,
1146                  DenseMap<Value *, Value *> &PointerToBase,
1147                  DominatorTree *DT, DefiningValueMapTy &DVCache) {
1148   // For the naming of values inserted to be deterministic - which makes for
1149   // much cleaner and more stable tests - we need to assign an order to the
1150   // live values.  DenseSets do not provide a deterministic order across runs.
1151   SmallVector<Value *, 64> Temp;
1152   Temp.insert(Temp.end(), live.begin(), live.end());
1153   std::sort(Temp.begin(), Temp.end(), order_by_name);
1154   for (Value *ptr : Temp) {
1155     Value *base = findBasePointer(ptr, DVCache);
1156     assert(base && "failed to find base pointer");
1157     PointerToBase[ptr] = base;
1158     assert((!isa<Instruction>(base) || !isa<Instruction>(ptr) ||
1159             DT->dominates(cast<Instruction>(base)->getParent(),
1160                           cast<Instruction>(ptr)->getParent())) &&
1161            "The base we found better dominate the derived pointer");
1162
1163     // If you see this trip and like to live really dangerously, the code should
1164     // be correct, just with idioms the verifier can't handle.  You can try
1165     // disabling the verifier at your own substantial risk.
1166     assert(!isa<ConstantPointerNull>(base) &&
1167            "the relocation code needs adjustment to handle the relocation of "
1168            "a null pointer constant without causing false positives in the "
1169            "safepoint ir verifier.");
1170   }
1171 }
1172
1173 /// Find the required based pointers (and adjust the live set) for the given
1174 /// parse point.
1175 static void findBasePointers(DominatorTree &DT, DefiningValueMapTy &DVCache,
1176                              const CallSite &CS,
1177                              PartiallyConstructedSafepointRecord &result) {
1178   DenseMap<Value *, Value *> PointerToBase;
1179   findBasePointers(result.LiveSet, PointerToBase, &DT, DVCache);
1180
1181   if (PrintBasePointers) {
1182     // Note: Need to print these in a stable order since this is checked in
1183     // some tests.
1184     errs() << "Base Pairs (w/o Relocation):\n";
1185     SmallVector<Value *, 64> Temp;
1186     Temp.reserve(PointerToBase.size());
1187     for (auto Pair : PointerToBase) {
1188       Temp.push_back(Pair.first);
1189     }
1190     std::sort(Temp.begin(), Temp.end(), order_by_name);
1191     for (Value *Ptr : Temp) {
1192       Value *Base = PointerToBase[Ptr];
1193       errs() << " derived %" << Ptr->getName() << " base %" << Base->getName()
1194              << "\n";
1195     }
1196   }
1197
1198   result.PointerToBase = PointerToBase;
1199 }
1200
1201 /// Given an updated version of the dataflow liveness results, update the
1202 /// liveset and base pointer maps for the call site CS.
1203 static void recomputeLiveInValues(GCPtrLivenessData &RevisedLivenessData,
1204                                   const CallSite &CS,
1205                                   PartiallyConstructedSafepointRecord &result);
1206
1207 static void recomputeLiveInValues(
1208     Function &F, DominatorTree &DT, Pass *P, ArrayRef<CallSite> toUpdate,
1209     MutableArrayRef<struct PartiallyConstructedSafepointRecord> records) {
1210   // TODO-PERF: reuse the original liveness, then simply run the dataflow
1211   // again.  The old values are still live and will help it stabilize quickly.
1212   GCPtrLivenessData RevisedLivenessData;
1213   computeLiveInValues(DT, F, RevisedLivenessData);
1214   for (size_t i = 0; i < records.size(); i++) {
1215     struct PartiallyConstructedSafepointRecord &info = records[i];
1216     const CallSite &CS = toUpdate[i];
1217     recomputeLiveInValues(RevisedLivenessData, CS, info);
1218   }
1219 }
1220
1221 // When inserting gc.relocate calls, we need to ensure there are no uses
1222 // of the original value between the gc.statepoint and the gc.relocate call.
1223 // One case which can arise is a phi node starting one of the successor blocks.
1224 // We also need to be able to insert the gc.relocates only on the path which
1225 // goes through the statepoint.  We might need to split an edge to make this
1226 // possible.
1227 static BasicBlock *
1228 normalizeForInvokeSafepoint(BasicBlock *BB, BasicBlock *InvokeParent,
1229                             DominatorTree &DT) {
1230   BasicBlock *Ret = BB;
1231   if (!BB->getUniquePredecessor()) {
1232     Ret = SplitBlockPredecessors(BB, InvokeParent, "", &DT);
1233   }
1234
1235   // Now that 'ret' has unique predecessor we can safely remove all phi nodes
1236   // from it
1237   FoldSingleEntryPHINodes(Ret);
1238   assert(!isa<PHINode>(Ret->begin()));
1239
1240   // At this point, we can safely insert a gc.relocate as the first instruction
1241   // in Ret if needed.
1242   return Ret;
1243 }
1244
1245 static int find_index(ArrayRef<Value *> livevec, Value *val) {
1246   auto itr = std::find(livevec.begin(), livevec.end(), val);
1247   assert(livevec.end() != itr);
1248   size_t index = std::distance(livevec.begin(), itr);
1249   assert(index < livevec.size());
1250   return index;
1251 }
1252
1253 // Create new attribute set containing only attributes which can be transferred
1254 // from original call to the safepoint.
1255 static AttributeSet legalizeCallAttributes(AttributeSet AS) {
1256   AttributeSet ret;
1257
1258   for (unsigned Slot = 0; Slot < AS.getNumSlots(); Slot++) {
1259     unsigned index = AS.getSlotIndex(Slot);
1260
1261     if (index == AttributeSet::ReturnIndex ||
1262         index == AttributeSet::FunctionIndex) {
1263
1264       for (auto it = AS.begin(Slot), it_end = AS.end(Slot); it != it_end;
1265            ++it) {
1266         Attribute attr = *it;
1267
1268         // Do not allow certain attributes - just skip them
1269         // Safepoint can not be read only or read none.
1270         if (attr.hasAttribute(Attribute::ReadNone) ||
1271             attr.hasAttribute(Attribute::ReadOnly))
1272           continue;
1273
1274         ret = ret.addAttributes(
1275             AS.getContext(), index,
1276             AttributeSet::get(AS.getContext(), index, AttrBuilder(attr)));
1277       }
1278     }
1279
1280     // Just skip parameter attributes for now
1281   }
1282
1283   return ret;
1284 }
1285
1286 /// Helper function to place all gc relocates necessary for the given
1287 /// statepoint.
1288 /// Inputs:
1289 ///   liveVariables - list of variables to be relocated.
1290 ///   liveStart - index of the first live variable.
1291 ///   basePtrs - base pointers.
1292 ///   statepointToken - statepoint instruction to which relocates should be
1293 ///   bound.
1294 ///   Builder - Llvm IR builder to be used to construct new calls.
1295 static void CreateGCRelocates(ArrayRef<Value *> LiveVariables,
1296                               const int LiveStart,
1297                               ArrayRef<Value *> BasePtrs,
1298                               Instruction *StatepointToken,
1299                               IRBuilder<> Builder) {
1300   if (LiveVariables.empty())
1301     return;
1302   
1303   // All gc_relocate are set to i8 addrspace(1)* type. We originally generated
1304   // unique declarations for each pointer type, but this proved problematic
1305   // because the intrinsic mangling code is incomplete and fragile.  Since
1306   // we're moving towards a single unified pointer type anyways, we can just
1307   // cast everything to an i8* of the right address space.  A bitcast is added
1308   // later to convert gc_relocate to the actual value's type. 
1309   Module *M = StatepointToken->getModule();
1310   auto AS = cast<PointerType>(LiveVariables[0]->getType())->getAddressSpace();
1311   Type *Types[] = {Type::getInt8PtrTy(M->getContext(), AS)};
1312   Value *GCRelocateDecl =
1313     Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::experimental_gc_relocate, Types);
1314
1315   for (unsigned i = 0; i < LiveVariables.size(); i++) {
1316     // Generate the gc.relocate call and save the result
1317     Value *BaseIdx =
1318       Builder.getInt32(LiveStart + find_index(LiveVariables, BasePtrs[i]));
1319     Value *LiveIdx =
1320       Builder.getInt32(LiveStart + find_index(LiveVariables, LiveVariables[i]));
1321
1322     // only specify a debug name if we can give a useful one
1323     CallInst *Reloc = Builder.CreateCall(
1324         GCRelocateDecl, {StatepointToken, BaseIdx, LiveIdx},
1325         suffixed_name_or(LiveVariables[i], ".relocated", ""));
1326     // Trick CodeGen into thinking there are lots of free registers at this
1327     // fake call.
1328     Reloc->setCallingConv(CallingConv::Cold);
1329   }
1330 }
1331
1332 static void
1333 makeStatepointExplicitImpl(const CallSite CS, /* to replace */
1334                            const SmallVectorImpl<Value *> &BasePtrs,
1335                            const SmallVectorImpl<Value *> &LiveVariables,
1336                            PartiallyConstructedSafepointRecord &Result) {
1337   assert(BasePtrs.size() == LiveVariables.size());
1338   assert(isStatepoint(CS) &&
1339          "This method expects to be rewriting a statepoint");
1340
1341   BasicBlock *BB = CS.getInstruction()->getParent();
1342   Function *F = BB->getParent();
1343   Module *M = F->getParent();
1344   assert(M && "must be set");
1345
1346   // We're not changing the function signature of the statepoint since the gc
1347   // arguments go into the var args section.
1348   Function *GCStatepointDecl = CS.getCalledFunction();
1349
1350   // Then go ahead and use the builder do actually do the inserts.  We insert
1351   // immediately before the previous instruction under the assumption that all
1352   // arguments will be available here.  We can't insert afterwards since we may
1353   // be replacing a terminator.
1354   Instruction *InsertBefore = CS.getInstruction();
1355   IRBuilder<> Builder(InsertBefore);
1356
1357   // Copy all of the arguments from the original statepoint - this includes the
1358   // target, call args, and deopt args
1359   SmallVector<llvm::Value *, 64> Args;
1360   Args.insert(Args.end(), CS.arg_begin(), CS.arg_end());
1361   // TODO: Clear the 'needs rewrite' flag
1362
1363   // Add all the pointers to be relocated (gc arguments) and capture the start
1364   // of the live variable list for use in the gc_relocates
1365   const int LiveStartIdx = Args.size();
1366   Args.insert(Args.end(), LiveVariables.begin(), LiveVariables.end());
1367
1368   // Create the statepoint given all the arguments
1369   Instruction *Token = nullptr;
1370   AttributeSet ReturnAttrs;
1371   if (CS.isCall()) {
1372     CallInst *ToReplace = cast<CallInst>(CS.getInstruction());
1373     CallInst *Call =
1374         Builder.CreateCall(GCStatepointDecl, Args, "safepoint_token");
1375     Call->setTailCall(ToReplace->isTailCall());
1376     Call->setCallingConv(ToReplace->getCallingConv());
1377
1378     // Currently we will fail on parameter attributes and on certain
1379     // function attributes.
1380     AttributeSet NewAttrs = legalizeCallAttributes(ToReplace->getAttributes());
1381     // In case if we can handle this set of attributes - set up function attrs
1382     // directly on statepoint and return attrs later for gc_result intrinsic.
1383     Call->setAttributes(NewAttrs.getFnAttributes());
1384     ReturnAttrs = NewAttrs.getRetAttributes();
1385
1386     Token = Call;
1387
1388     // Put the following gc_result and gc_relocate calls immediately after the
1389     // the old call (which we're about to delete)
1390     assert(ToReplace->getNextNode() && "Not a terminator, must have next!");
1391     Builder.SetInsertPoint(ToReplace->getNextNode());
1392     Builder.SetCurrentDebugLocation(ToReplace->getNextNode()->getDebugLoc());
1393   } else {
1394     InvokeInst *ToReplace = cast<InvokeInst>(CS.getInstruction());
1395
1396     // Insert the new invoke into the old block.  We'll remove the old one in a
1397     // moment at which point this will become the new terminator for the
1398     // original block.
1399     InvokeInst *Invoke =
1400         InvokeInst::Create(GCStatepointDecl, ToReplace->getNormalDest(),
1401                            ToReplace->getUnwindDest(), Args, "statepoint_token",
1402                            ToReplace->getParent());
1403     Invoke->setCallingConv(ToReplace->getCallingConv());
1404
1405     // Currently we will fail on parameter attributes and on certain
1406     // function attributes.
1407     AttributeSet NewAttrs = legalizeCallAttributes(ToReplace->getAttributes());
1408     // In case if we can handle this set of attributes - set up function attrs
1409     // directly on statepoint and return attrs later for gc_result intrinsic.
1410     Invoke->setAttributes(NewAttrs.getFnAttributes());
1411     ReturnAttrs = NewAttrs.getRetAttributes();
1412
1413     Token = Invoke;
1414
1415     // Generate gc relocates in exceptional path
1416     BasicBlock *UnwindBlock = ToReplace->getUnwindDest();
1417     assert(!isa<PHINode>(UnwindBlock->begin()) &&
1418            UnwindBlock->getUniquePredecessor() &&
1419            "can't safely insert in this block!");
1420
1421     Builder.SetInsertPoint(UnwindBlock->getFirstInsertionPt());
1422     Builder.SetCurrentDebugLocation(ToReplace->getDebugLoc());
1423
1424     // Extract second element from landingpad return value. We will attach
1425     // exceptional gc relocates to it.
1426     Instruction *ExceptionalToken =
1427         cast<Instruction>(Builder.CreateExtractValue(
1428             UnwindBlock->getLandingPadInst(), 1, "relocate_token"));
1429     Result.UnwindToken = ExceptionalToken;
1430
1431     CreateGCRelocates(LiveVariables, LiveStartIdx, BasePtrs, ExceptionalToken,
1432                       Builder);
1433
1434     // Generate gc relocates and returns for normal block
1435     BasicBlock *NormalDest = ToReplace->getNormalDest();
1436     assert(!isa<PHINode>(NormalDest->begin()) &&
1437            NormalDest->getUniquePredecessor() &&
1438            "can't safely insert in this block!");
1439
1440     Builder.SetInsertPoint(NormalDest->getFirstInsertionPt());
1441
1442     // gc relocates will be generated later as if it were regular call
1443     // statepoint
1444   }
1445   assert(Token && "Should be set in one of the above branches!");
1446
1447   // Take the name of the original value call if it had one.
1448   Token->takeName(CS.getInstruction());
1449
1450 // The GCResult is already inserted, we just need to find it
1451 #ifndef NDEBUG
1452   Instruction *ToReplace = CS.getInstruction();
1453   assert(!ToReplace->hasNUsesOrMore(2) &&
1454          "only valid use before rewrite is gc.result");
1455   assert(!ToReplace->hasOneUse() ||
1456          isGCResult(cast<Instruction>(*ToReplace->user_begin())));
1457 #endif
1458
1459   // Update the gc.result of the original statepoint (if any) to use the newly
1460   // inserted statepoint.  This is safe to do here since the token can't be
1461   // considered a live reference.
1462   CS.getInstruction()->replaceAllUsesWith(Token);
1463
1464   Result.StatepointToken = Token;
1465
1466   // Second, create a gc.relocate for every live variable
1467   CreateGCRelocates(LiveVariables, LiveStartIdx, BasePtrs, Token, Builder);
1468 }
1469
1470 namespace {
1471 struct NameOrdering {
1472   Value *Base;
1473   Value *Derived;
1474
1475   bool operator()(NameOrdering const &a, NameOrdering const &b) {
1476     return -1 == a.Derived->getName().compare(b.Derived->getName());
1477   }
1478 };
1479 }
1480
1481 static void StabilizeOrder(SmallVectorImpl<Value *> &BaseVec,
1482                            SmallVectorImpl<Value *> &LiveVec) {
1483   assert(BaseVec.size() == LiveVec.size());
1484
1485   SmallVector<NameOrdering, 64> Temp;
1486   for (size_t i = 0; i < BaseVec.size(); i++) {
1487     NameOrdering v;
1488     v.Base = BaseVec[i];
1489     v.Derived = LiveVec[i];
1490     Temp.push_back(v);
1491   }
1492
1493   std::sort(Temp.begin(), Temp.end(), NameOrdering());
1494   for (size_t i = 0; i < BaseVec.size(); i++) {
1495     BaseVec[i] = Temp[i].Base;
1496     LiveVec[i] = Temp[i].Derived;
1497   }
1498 }
1499
1500 // Replace an existing gc.statepoint with a new one and a set of gc.relocates
1501 // which make the relocations happening at this safepoint explicit.
1502 //
1503 // WARNING: Does not do any fixup to adjust users of the original live
1504 // values.  That's the callers responsibility.
1505 static void
1506 makeStatepointExplicit(DominatorTree &DT, const CallSite &CS,
1507                        PartiallyConstructedSafepointRecord &Result) {
1508   auto LiveSet = Result.LiveSet;
1509   auto PointerToBase = Result.PointerToBase;
1510
1511   // Convert to vector for efficient cross referencing.
1512   SmallVector<Value *, 64> BaseVec, LiveVec;
1513   LiveVec.reserve(LiveSet.size());
1514   BaseVec.reserve(LiveSet.size());
1515   for (Value *L : LiveSet) {
1516     LiveVec.push_back(L);
1517     assert(PointerToBase.count(L));
1518     Value *Base = PointerToBase[L];
1519     BaseVec.push_back(Base);
1520   }
1521   assert(LiveVec.size() == BaseVec.size());
1522
1523   // To make the output IR slightly more stable (for use in diffs), ensure a
1524   // fixed order of the values in the safepoint (by sorting the value name).
1525   // The order is otherwise meaningless.
1526   StabilizeOrder(BaseVec, LiveVec);
1527
1528   // Do the actual rewriting and delete the old statepoint
1529   makeStatepointExplicitImpl(CS, BaseVec, LiveVec, Result);
1530   CS.getInstruction()->eraseFromParent();
1531 }
1532
1533 // Helper function for the relocationViaAlloca.
1534 //
1535 // It receives iterator to the statepoint gc relocates and emits a store to the
1536 // assigned location (via allocaMap) for the each one of them.  It adds the
1537 // visited values into the visitedLiveValues set, which we will later use them
1538 // for sanity checking.
1539 static void
1540 insertRelocationStores(iterator_range<Value::user_iterator> GCRelocs,
1541                        DenseMap<Value *, Value *> &AllocaMap,
1542                        DenseSet<Value *> &VisitedLiveValues) {
1543
1544   for (User *U : GCRelocs) {
1545     if (!isa<IntrinsicInst>(U))
1546       continue;
1547
1548     IntrinsicInst *RelocatedValue = cast<IntrinsicInst>(U);
1549
1550     // We only care about relocates
1551     if (RelocatedValue->getIntrinsicID() !=
1552         Intrinsic::experimental_gc_relocate) {
1553       continue;
1554     }
1555
1556     GCRelocateOperands RelocateOperands(RelocatedValue);
1557     Value *OriginalValue =
1558         const_cast<Value *>(RelocateOperands.getDerivedPtr());
1559     assert(AllocaMap.count(OriginalValue));
1560     Value *Alloca = AllocaMap[OriginalValue];
1561
1562     // Emit store into the related alloca
1563     // All gc_relocates are i8 addrspace(1)* typed, and it must be bitcasted to
1564     // the correct type according to alloca.
1565     assert(RelocatedValue->getNextNode() &&
1566            "Should always have one since it's not a terminator");
1567     IRBuilder<> Builder(RelocatedValue->getNextNode());
1568     Value *CastedRelocatedValue =
1569       Builder.CreateBitCast(RelocatedValue,
1570                             cast<AllocaInst>(Alloca)->getAllocatedType(),
1571                             suffixed_name_or(RelocatedValue, ".casted", ""));
1572
1573     StoreInst *Store = new StoreInst(CastedRelocatedValue, Alloca);
1574     Store->insertAfter(cast<Instruction>(CastedRelocatedValue));
1575
1576 #ifndef NDEBUG
1577     VisitedLiveValues.insert(OriginalValue);
1578 #endif
1579   }
1580 }
1581
1582 // Helper function for the "relocationViaAlloca". Similar to the
1583 // "insertRelocationStores" but works for rematerialized values.
1584 static void
1585 insertRematerializationStores(
1586   RematerializedValueMapTy RematerializedValues,
1587   DenseMap<Value *, Value *> &AllocaMap,
1588   DenseSet<Value *> &VisitedLiveValues) {
1589
1590   for (auto RematerializedValuePair: RematerializedValues) {
1591     Instruction *RematerializedValue = RematerializedValuePair.first;
1592     Value *OriginalValue = RematerializedValuePair.second;
1593
1594     assert(AllocaMap.count(OriginalValue) &&
1595            "Can not find alloca for rematerialized value");
1596     Value *Alloca = AllocaMap[OriginalValue];
1597
1598     StoreInst *Store = new StoreInst(RematerializedValue, Alloca);
1599     Store->insertAfter(RematerializedValue);
1600
1601 #ifndef NDEBUG
1602     VisitedLiveValues.insert(OriginalValue);
1603 #endif
1604   }
1605 }
1606
1607 /// Do all the relocation update via allocas and mem2reg
1608 static void relocationViaAlloca(
1609     Function &F, DominatorTree &DT, ArrayRef<Value *> Live,
1610     ArrayRef<PartiallyConstructedSafepointRecord> Records) {
1611 #ifndef NDEBUG
1612   // record initial number of (static) allocas; we'll check we have the same
1613   // number when we get done.
1614   int InitialAllocaNum = 0;
1615   for (auto I = F.getEntryBlock().begin(), E = F.getEntryBlock().end(); I != E;
1616        I++)
1617     if (isa<AllocaInst>(*I))
1618       InitialAllocaNum++;
1619 #endif
1620
1621   // TODO-PERF: change data structures, reserve
1622   DenseMap<Value *, Value *> AllocaMap;
1623   SmallVector<AllocaInst *, 200> PromotableAllocas;
1624   // Used later to chack that we have enough allocas to store all values
1625   std::size_t NumRematerializedValues = 0;
1626   PromotableAllocas.reserve(Live.size());
1627
1628   // Emit alloca for "LiveValue" and record it in "allocaMap" and
1629   // "PromotableAllocas"
1630   auto emitAllocaFor = [&](Value *LiveValue) {
1631     AllocaInst *Alloca = new AllocaInst(LiveValue->getType(), "",
1632                                         F.getEntryBlock().getFirstNonPHI());
1633     AllocaMap[LiveValue] = Alloca;
1634     PromotableAllocas.push_back(Alloca);
1635   };
1636
1637   // Emit alloca for each live gc pointer
1638   for (Value *V : Live)
1639     emitAllocaFor(V);
1640
1641   // Emit allocas for rematerialized values
1642   for (const auto &Info : Records)
1643     for (auto RematerializedValuePair : Info.RematerializedValues) {
1644       Value *OriginalValue = RematerializedValuePair.second;
1645       if (AllocaMap.count(OriginalValue) != 0)
1646         continue;
1647
1648       emitAllocaFor(OriginalValue);
1649       ++NumRematerializedValues;
1650     }
1651
1652   // The next two loops are part of the same conceptual operation.  We need to
1653   // insert a store to the alloca after the original def and at each
1654   // redefinition.  We need to insert a load before each use.  These are split
1655   // into distinct loops for performance reasons.
1656
1657   // Update gc pointer after each statepoint: either store a relocated value or
1658   // null (if no relocated value was found for this gc pointer and it is not a
1659   // gc_result).  This must happen before we update the statepoint with load of
1660   // alloca otherwise we lose the link between statepoint and old def.
1661   for (const auto &Info : Records) {
1662     Value *Statepoint = Info.StatepointToken;
1663
1664     // This will be used for consistency check
1665     DenseSet<Value *> VisitedLiveValues;
1666
1667     // Insert stores for normal statepoint gc relocates
1668     insertRelocationStores(Statepoint->users(), AllocaMap, VisitedLiveValues);
1669
1670     // In case if it was invoke statepoint
1671     // we will insert stores for exceptional path gc relocates.
1672     if (isa<InvokeInst>(Statepoint)) {
1673       insertRelocationStores(Info.UnwindToken->users(), AllocaMap,
1674                              VisitedLiveValues);
1675     }
1676
1677     // Do similar thing with rematerialized values
1678     insertRematerializationStores(Info.RematerializedValues, AllocaMap,
1679                                   VisitedLiveValues);
1680
1681     if (ClobberNonLive) {
1682       // As a debugging aid, pretend that an unrelocated pointer becomes null at
1683       // the gc.statepoint.  This will turn some subtle GC problems into
1684       // slightly easier to debug SEGVs.  Note that on large IR files with
1685       // lots of gc.statepoints this is extremely costly both memory and time
1686       // wise.
1687       SmallVector<AllocaInst *, 64> ToClobber;
1688       for (auto Pair : AllocaMap) {
1689         Value *Def = Pair.first;
1690         AllocaInst *Alloca = cast<AllocaInst>(Pair.second);
1691
1692         // This value was relocated
1693         if (VisitedLiveValues.count(Def)) {
1694           continue;
1695         }
1696         ToClobber.push_back(Alloca);
1697       }
1698
1699       auto InsertClobbersAt = [&](Instruction *IP) {
1700         for (auto *AI : ToClobber) {
1701           auto AIType = cast<PointerType>(AI->getType());
1702           auto PT = cast<PointerType>(AIType->getElementType());
1703           Constant *CPN = ConstantPointerNull::get(PT);
1704           StoreInst *Store = new StoreInst(CPN, AI);
1705           Store->insertBefore(IP);
1706         }
1707       };
1708
1709       // Insert the clobbering stores.  These may get intermixed with the
1710       // gc.results and gc.relocates, but that's fine.
1711       if (auto II = dyn_cast<InvokeInst>(Statepoint)) {
1712         InsertClobbersAt(II->getNormalDest()->getFirstInsertionPt());
1713         InsertClobbersAt(II->getUnwindDest()->getFirstInsertionPt());
1714       } else {
1715         InsertClobbersAt(cast<Instruction>(Statepoint)->getNextNode());
1716       }
1717     }
1718   }
1719
1720   // Update use with load allocas and add store for gc_relocated.
1721   for (auto Pair : AllocaMap) {
1722     Value *Def = Pair.first;
1723     Value *Alloca = Pair.second;
1724
1725     // We pre-record the uses of allocas so that we dont have to worry about
1726     // later update that changes the user information..
1727
1728     SmallVector<Instruction *, 20> Uses;
1729     // PERF: trade a linear scan for repeated reallocation
1730     Uses.reserve(std::distance(Def->user_begin(), Def->user_end()));
1731     for (User *U : Def->users()) {
1732       if (!isa<ConstantExpr>(U)) {
1733         // If the def has a ConstantExpr use, then the def is either a
1734         // ConstantExpr use itself or null.  In either case
1735         // (recursively in the first, directly in the second), the oop
1736         // it is ultimately dependent on is null and this particular
1737         // use does not need to be fixed up.
1738         Uses.push_back(cast<Instruction>(U));
1739       }
1740     }
1741
1742     std::sort(Uses.begin(), Uses.end());
1743     auto Last = std::unique(Uses.begin(), Uses.end());
1744     Uses.erase(Last, Uses.end());
1745
1746     for (Instruction *Use : Uses) {
1747       if (isa<PHINode>(Use)) {
1748         PHINode *Phi = cast<PHINode>(Use);
1749         for (unsigned i = 0; i < Phi->getNumIncomingValues(); i++) {
1750           if (Def == Phi->getIncomingValue(i)) {
1751             LoadInst *Load = new LoadInst(
1752                 Alloca, "", Phi->getIncomingBlock(i)->getTerminator());
1753             Phi->setIncomingValue(i, Load);
1754           }
1755         }
1756       } else {
1757         LoadInst *Load = new LoadInst(Alloca, "", Use);
1758         Use->replaceUsesOfWith(Def, Load);
1759       }
1760     }
1761
1762     // Emit store for the initial gc value.  Store must be inserted after load,
1763     // otherwise store will be in alloca's use list and an extra load will be
1764     // inserted before it.
1765     StoreInst *Store = new StoreInst(Def, Alloca);
1766     if (Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(Def)) {
1767       if (InvokeInst *Invoke = dyn_cast<InvokeInst>(Inst)) {
1768         // InvokeInst is a TerminatorInst so the store need to be inserted
1769         // into its normal destination block.
1770         BasicBlock *NormalDest = Invoke->getNormalDest();
1771         Store->insertBefore(NormalDest->getFirstNonPHI());
1772       } else {
1773         assert(!Inst->isTerminator() &&
1774                "The only TerminatorInst that can produce a value is "
1775                "InvokeInst which is handled above.");
1776         Store->insertAfter(Inst);
1777       }
1778     } else {
1779       assert(isa<Argument>(Def));
1780       Store->insertAfter(cast<Instruction>(Alloca));
1781     }
1782   }
1783
1784   assert(PromotableAllocas.size() == Live.size() + NumRematerializedValues &&
1785          "we must have the same allocas with lives");
1786   if (!PromotableAllocas.empty()) {
1787     // Apply mem2reg to promote alloca to SSA
1788     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, DT);
1789   }
1790
1791 #ifndef NDEBUG
1792   for (auto &I : F.getEntryBlock())
1793     if (isa<AllocaInst>(I))
1794       InitialAllocaNum--;
1795   assert(InitialAllocaNum == 0 && "We must not introduce any extra allocas");
1796 #endif
1797 }
1798
1799 /// Implement a unique function which doesn't require we sort the input
1800 /// vector.  Doing so has the effect of changing the output of a couple of
1801 /// tests in ways which make them less useful in testing fused safepoints.
1802 template <typename T> static void unique_unsorted(SmallVectorImpl<T> &Vec) {
1803   SmallSet<T, 8> Seen;
1804   Vec.erase(std::remove_if(Vec.begin(), Vec.end(), [&](const T &V) {
1805               return !Seen.insert(V).second;
1806             }), Vec.end());
1807 }
1808
1809 /// Insert holders so that each Value is obviously live through the entire
1810 /// lifetime of the call.
1811 static void insertUseHolderAfter(CallSite &CS, const ArrayRef<Value *> Values,
1812                                  SmallVectorImpl<CallInst *> &Holders) {
1813   if (Values.empty())
1814     // No values to hold live, might as well not insert the empty holder
1815     return;
1816
1817   Module *M = CS.getInstruction()->getParent()->getParent()->getParent();
1818   // Use a dummy vararg function to actually hold the values live
1819   Function *Func = cast<Function>(M->getOrInsertFunction(
1820       "__tmp_use", FunctionType::get(Type::getVoidTy(M->getContext()), true)));
1821   if (CS.isCall()) {
1822     // For call safepoints insert dummy calls right after safepoint
1823     BasicBlock::iterator Next(CS.getInstruction());
1824     Next++;
1825     Holders.push_back(CallInst::Create(Func, Values, "", Next));
1826     return;
1827   }
1828   // For invoke safepooints insert dummy calls both in normal and
1829   // exceptional destination blocks
1830   auto *II = cast<InvokeInst>(CS.getInstruction());
1831   Holders.push_back(CallInst::Create(
1832       Func, Values, "", II->getNormalDest()->getFirstInsertionPt()));
1833   Holders.push_back(CallInst::Create(
1834       Func, Values, "", II->getUnwindDest()->getFirstInsertionPt()));
1835 }
1836
1837 static void findLiveReferences(
1838     Function &F, DominatorTree &DT, Pass *P, ArrayRef<CallSite> toUpdate,
1839     MutableArrayRef<struct PartiallyConstructedSafepointRecord> records) {
1840   GCPtrLivenessData OriginalLivenessData;
1841   computeLiveInValues(DT, F, OriginalLivenessData);
1842   for (size_t i = 0; i < records.size(); i++) {
1843     struct PartiallyConstructedSafepointRecord &info = records[i];
1844     const CallSite &CS = toUpdate[i];
1845     analyzeParsePointLiveness(DT, OriginalLivenessData, CS, info);
1846   }
1847 }
1848
1849 /// Remove any vector of pointers from the live set by scalarizing them over the
1850 /// statepoint instruction.  Adds the scalarized pieces to the live set.  It
1851 /// would be preferable to include the vector in the statepoint itself, but
1852 /// the lowering code currently does not handle that.  Extending it would be
1853 /// slightly non-trivial since it requires a format change.  Given how rare
1854 /// such cases are (for the moment?) scalarizing is an acceptable compromise.
1855 static void splitVectorValues(Instruction *StatepointInst,
1856                               StatepointLiveSetTy &LiveSet,
1857                               DenseMap<Value *, Value *>& PointerToBase,
1858                               DominatorTree &DT) {
1859   SmallVector<Value *, 16> ToSplit;
1860   for (Value *V : LiveSet)
1861     if (isa<VectorType>(V->getType()))
1862       ToSplit.push_back(V);
1863
1864   if (ToSplit.empty())
1865     return;
1866
1867   DenseMap<Value *, SmallVector<Value *, 16>> ElementMapping;
1868
1869   Function &F = *(StatepointInst->getParent()->getParent());
1870
1871   DenseMap<Value *, AllocaInst *> AllocaMap;
1872   // First is normal return, second is exceptional return (invoke only)
1873   DenseMap<Value *, std::pair<Value *, Value *>> Replacements;
1874   for (Value *V : ToSplit) {
1875     AllocaInst *Alloca =
1876         new AllocaInst(V->getType(), "", F.getEntryBlock().getFirstNonPHI());
1877     AllocaMap[V] = Alloca;
1878
1879     VectorType *VT = cast<VectorType>(V->getType());
1880     IRBuilder<> Builder(StatepointInst);
1881     SmallVector<Value *, 16> Elements;
1882     for (unsigned i = 0; i < VT->getNumElements(); i++)
1883       Elements.push_back(Builder.CreateExtractElement(V, Builder.getInt32(i)));
1884     ElementMapping[V] = Elements;
1885
1886     auto InsertVectorReform = [&](Instruction *IP) {
1887       Builder.SetInsertPoint(IP);
1888       Builder.SetCurrentDebugLocation(IP->getDebugLoc());
1889       Value *ResultVec = UndefValue::get(VT);
1890       for (unsigned i = 0; i < VT->getNumElements(); i++)
1891         ResultVec = Builder.CreateInsertElement(ResultVec, Elements[i],
1892                                                 Builder.getInt32(i));
1893       return ResultVec;
1894     };
1895
1896     if (isa<CallInst>(StatepointInst)) {
1897       BasicBlock::iterator Next(StatepointInst);
1898       Next++;
1899       Instruction *IP = &*(Next);
1900       Replacements[V].first = InsertVectorReform(IP);
1901       Replacements[V].second = nullptr;
1902     } else {
1903       InvokeInst *Invoke = cast<InvokeInst>(StatepointInst);
1904       // We've already normalized - check that we don't have shared destination
1905       // blocks
1906       BasicBlock *NormalDest = Invoke->getNormalDest();
1907       assert(!isa<PHINode>(NormalDest->begin()));
1908       BasicBlock *UnwindDest = Invoke->getUnwindDest();
1909       assert(!isa<PHINode>(UnwindDest->begin()));
1910       // Insert insert element sequences in both successors
1911       Instruction *IP = &*(NormalDest->getFirstInsertionPt());
1912       Replacements[V].first = InsertVectorReform(IP);
1913       IP = &*(UnwindDest->getFirstInsertionPt());
1914       Replacements[V].second = InsertVectorReform(IP);
1915     }
1916   }
1917
1918   for (Value *V : ToSplit) {
1919     AllocaInst *Alloca = AllocaMap[V];
1920
1921     // Capture all users before we start mutating use lists
1922     SmallVector<Instruction *, 16> Users;
1923     for (User *U : V->users())
1924       Users.push_back(cast<Instruction>(U));
1925
1926     for (Instruction *I : Users) {
1927       if (auto Phi = dyn_cast<PHINode>(I)) {
1928         for (unsigned i = 0; i < Phi->getNumIncomingValues(); i++)
1929           if (V == Phi->getIncomingValue(i)) {
1930             LoadInst *Load = new LoadInst(
1931                 Alloca, "", Phi->getIncomingBlock(i)->getTerminator());
1932             Phi->setIncomingValue(i, Load);
1933           }
1934       } else {
1935         LoadInst *Load = new LoadInst(Alloca, "", I);
1936         I->replaceUsesOfWith(V, Load);
1937       }
1938     }
1939
1940     // Store the original value and the replacement value into the alloca
1941     StoreInst *Store = new StoreInst(V, Alloca);
1942     if (auto I = dyn_cast<Instruction>(V))
1943       Store->insertAfter(I);
1944     else
1945       Store->insertAfter(Alloca);
1946
1947     // Normal return for invoke, or call return
1948     Instruction *Replacement = cast<Instruction>(Replacements[V].first);
1949     (new StoreInst(Replacement, Alloca))->insertAfter(Replacement);
1950     // Unwind return for invoke only
1951     Replacement = cast_or_null<Instruction>(Replacements[V].second);
1952     if (Replacement)
1953       (new StoreInst(Replacement, Alloca))->insertAfter(Replacement);
1954   }
1955
1956   // apply mem2reg to promote alloca to SSA
1957   SmallVector<AllocaInst *, 16> Allocas;
1958   for (Value *V : ToSplit)
1959     Allocas.push_back(AllocaMap[V]);
1960   PromoteMemToReg(Allocas, DT);
1961
1962   // Update our tracking of live pointers and base mappings to account for the
1963   // changes we just made.
1964   for (Value *V : ToSplit) {
1965     auto &Elements = ElementMapping[V];
1966
1967     LiveSet.erase(V);
1968     LiveSet.insert(Elements.begin(), Elements.end());
1969     // We need to update the base mapping as well.
1970     assert(PointerToBase.count(V));
1971     Value *OldBase = PointerToBase[V];
1972     auto &BaseElements = ElementMapping[OldBase];
1973     PointerToBase.erase(V);
1974     assert(Elements.size() == BaseElements.size());
1975     for (unsigned i = 0; i < Elements.size(); i++) {
1976       Value *Elem = Elements[i];
1977       PointerToBase[Elem] = BaseElements[i];
1978     }
1979   }
1980 }
1981
1982 // Helper function for the "rematerializeLiveValues". It walks use chain
1983 // starting from the "CurrentValue" until it meets "BaseValue". Only "simple"
1984 // values are visited (currently it is GEP's and casts). Returns true if it
1985 // successfully reached "BaseValue" and false otherwise.
1986 // Fills "ChainToBase" array with all visited values. "BaseValue" is not
1987 // recorded.
1988 static bool findRematerializableChainToBasePointer(
1989   SmallVectorImpl<Instruction*> &ChainToBase,
1990   Value *CurrentValue, Value *BaseValue) {
1991
1992   // We have found a base value
1993   if (CurrentValue == BaseValue) {
1994     return true;
1995   }
1996
1997   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(CurrentValue)) {
1998     ChainToBase.push_back(GEP);
1999     return findRematerializableChainToBasePointer(ChainToBase,
2000                                                   GEP->getPointerOperand(),
2001                                                   BaseValue);
2002   }
2003
2004   if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(CurrentValue)) {
2005     Value *Def = CI->stripPointerCasts();
2006
2007     // This two checks are basically similar. First one is here for the
2008     // consistency with findBasePointers logic.
2009     assert(!isa<CastInst>(Def) && "not a pointer cast found");
2010     if (!CI->isNoopCast(CI->getModule()->getDataLayout()))
2011       return false;
2012
2013     ChainToBase.push_back(CI);
2014     return findRematerializableChainToBasePointer(ChainToBase, Def, BaseValue);
2015   }
2016
2017   // Not supported instruction in the chain
2018   return false;
2019 }
2020
2021 // Helper function for the "rematerializeLiveValues". Compute cost of the use
2022 // chain we are going to rematerialize.
2023 static unsigned
2024 chainToBasePointerCost(SmallVectorImpl<Instruction*> &Chain,
2025                        TargetTransformInfo &TTI) {
2026   unsigned Cost = 0;
2027
2028   for (Instruction *Instr : Chain) {
2029     if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Instr)) {
2030       assert(CI->isNoopCast(CI->getModule()->getDataLayout()) &&
2031              "non noop cast is found during rematerialization");
2032
2033       Type *SrcTy = CI->getOperand(0)->getType();
2034       Cost += TTI.getCastInstrCost(CI->getOpcode(), CI->getType(), SrcTy);
2035
2036     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Instr)) {
2037       // Cost of the address calculation
2038       Type *ValTy = GEP->getPointerOperandType()->getPointerElementType();
2039       Cost += TTI.getAddressComputationCost(ValTy);
2040
2041       // And cost of the GEP itself
2042       // TODO: Use TTI->getGEPCost here (it exists, but appears to be not
2043       //       allowed for the external usage)
2044       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
2045         Cost += 2;
2046
2047     } else {
2048       llvm_unreachable("unsupported instruciton type during rematerialization");
2049     }
2050   }
2051
2052   return Cost;
2053 }
2054
2055 // From the statepoint live set pick values that are cheaper to recompute then
2056 // to relocate. Remove this values from the live set, rematerialize them after
2057 // statepoint and record them in "Info" structure. Note that similar to
2058 // relocated values we don't do any user adjustments here.
2059 static void rematerializeLiveValues(CallSite CS,
2060                                     PartiallyConstructedSafepointRecord &Info,
2061                                     TargetTransformInfo &TTI) {
2062   const unsigned int ChainLengthThreshold = 10;
2063
2064   // Record values we are going to delete from this statepoint live set.
2065   // We can not di this in following loop due to iterator invalidation.
2066   SmallVector<Value *, 32> LiveValuesToBeDeleted;
2067
2068   for (Value *LiveValue: Info.LiveSet) {
2069     // For each live pointer find it's defining chain
2070     SmallVector<Instruction *, 3> ChainToBase;
2071     assert(Info.PointerToBase.count(LiveValue));
2072     bool FoundChain =
2073       findRematerializableChainToBasePointer(ChainToBase,
2074                                              LiveValue,
2075                                              Info.PointerToBase[LiveValue]);
2076     // Nothing to do, or chain is too long
2077     if (!FoundChain ||
2078         ChainToBase.size() == 0 ||
2079         ChainToBase.size() > ChainLengthThreshold)
2080       continue;
2081
2082     // Compute cost of this chain
2083     unsigned Cost = chainToBasePointerCost(ChainToBase, TTI);
2084     // TODO: We can also account for cases when we will be able to remove some
2085     //       of the rematerialized values by later optimization passes. I.e if
2086     //       we rematerialized several intersecting chains. Or if original values
2087     //       don't have any uses besides this statepoint.
2088
2089     // For invokes we need to rematerialize each chain twice - for normal and
2090     // for unwind basic blocks. Model this by multiplying cost by two.
2091     if (CS.isInvoke()) {
2092       Cost *= 2;
2093     }
2094     // If it's too expensive - skip it
2095     if (Cost >= RematerializationThreshold)
2096       continue;
2097
2098     // Remove value from the live set
2099     LiveValuesToBeDeleted.push_back(LiveValue);
2100
2101     // Clone instructions and record them inside "Info" structure
2102
2103     // Walk backwards to visit top-most instructions first
2104     std::reverse(ChainToBase.begin(), ChainToBase.end());
2105
2106     // Utility function which clones all instructions from "ChainToBase"
2107     // and inserts them before "InsertBefore". Returns rematerialized value
2108     // which should be used after statepoint.
2109     auto rematerializeChain = [&ChainToBase](Instruction *InsertBefore) {
2110       Instruction *LastClonedValue = nullptr;
2111       Instruction *LastValue = nullptr;
2112       for (Instruction *Instr: ChainToBase) {
2113         // Only GEP's and casts are suported as we need to be careful to not
2114         // introduce any new uses of pointers not in the liveset.
2115         // Note that it's fine to introduce new uses of pointers which were
2116         // otherwise not used after this statepoint.
2117         assert(isa<GetElementPtrInst>(Instr) || isa<CastInst>(Instr));
2118
2119         Instruction *ClonedValue = Instr->clone();
2120         ClonedValue->insertBefore(InsertBefore);
2121         ClonedValue->setName(Instr->getName() + ".remat");
2122
2123         // If it is not first instruction in the chain then it uses previously
2124         // cloned value. We should update it to use cloned value.
2125         if (LastClonedValue) {
2126           assert(LastValue);
2127           ClonedValue->replaceUsesOfWith(LastValue, LastClonedValue);
2128 #ifndef NDEBUG
2129           // Assert that cloned instruction does not use any instructions from
2130           // this chain other than LastClonedValue
2131           for (auto OpValue : ClonedValue->operand_values()) {
2132             assert(std::find(ChainToBase.begin(), ChainToBase.end(), OpValue) ==
2133                        ChainToBase.end() &&
2134                    "incorrect use in rematerialization chain");
2135           }
2136 #endif
2137         }
2138
2139         LastClonedValue = ClonedValue;
2140         LastValue = Instr;
2141       }
2142       assert(LastClonedValue);
2143       return LastClonedValue;
2144     };
2145
2146     // Different cases for calls and invokes. For invokes we need to clone
2147     // instructions both on normal and unwind path.
2148     if (CS.isCall()) {
2149       Instruction *InsertBefore = CS.getInstruction()->getNextNode();
2150       assert(InsertBefore);
2151       Instruction *RematerializedValue = rematerializeChain(InsertBefore);
2152       Info.RematerializedValues[RematerializedValue] = LiveValue;
2153     } else {
2154       InvokeInst *Invoke = cast<InvokeInst>(CS.getInstruction());
2155
2156       Instruction *NormalInsertBefore =
2157           Invoke->getNormalDest()->getFirstInsertionPt();
2158       Instruction *UnwindInsertBefore =
2159           Invoke->getUnwindDest()->getFirstInsertionPt();
2160
2161       Instruction *NormalRematerializedValue =
2162           rematerializeChain(NormalInsertBefore);
2163       Instruction *UnwindRematerializedValue =
2164           rematerializeChain(UnwindInsertBefore);
2165
2166       Info.RematerializedValues[NormalRematerializedValue] = LiveValue;
2167       Info.RematerializedValues[UnwindRematerializedValue] = LiveValue;
2168     }
2169   }
2170
2171   // Remove rematerializaed values from the live set
2172   for (auto LiveValue: LiveValuesToBeDeleted) {
2173     Info.LiveSet.erase(LiveValue);
2174   }
2175 }
2176
2177 static bool insertParsePoints(Function &F, DominatorTree &DT, Pass *P,
2178                               SmallVectorImpl<CallSite> &ToUpdate) {
2179 #ifndef NDEBUG
2180   // sanity check the input
2181   std::set<CallSite> Uniqued;
2182   Uniqued.insert(ToUpdate.begin(), ToUpdate.end());
2183   assert(Uniqued.size() == ToUpdate.size() && "no duplicates please!");
2184
2185   for (CallSite CS : ToUpdate) {
2186     assert(CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == &F);
2187     assert(isStatepoint(CS) && "expected to already be a deopt statepoint");
2188   }
2189 #endif
2190
2191   // When inserting gc.relocates for invokes, we need to be able to insert at
2192   // the top of the successor blocks.  See the comment on
2193   // normalForInvokeSafepoint on exactly what is needed.  Note that this step
2194   // may restructure the CFG.
2195   for (CallSite CS : ToUpdate) {
2196     if (!CS.isInvoke())
2197       continue;
2198     auto *II = cast<InvokeInst>(CS.getInstruction());
2199     normalizeForInvokeSafepoint(II->getNormalDest(), II->getParent(), DT);
2200     normalizeForInvokeSafepoint(II->getUnwindDest(), II->getParent(), DT);
2201   }
2202
2203   // A list of dummy calls added to the IR to keep various values obviously
2204   // live in the IR.  We'll remove all of these when done.
2205   SmallVector<CallInst *, 64> Holders;
2206
2207   // Insert a dummy call with all of the arguments to the vm_state we'll need
2208   // for the actual safepoint insertion.  This ensures reference arguments in
2209   // the deopt argument list are considered live through the safepoint (and
2210   // thus makes sure they get relocated.)
2211   for (CallSite CS : ToUpdate) {
2212     Statepoint StatepointCS(CS);
2213
2214     SmallVector<Value *, 64> DeoptValues;
2215     for (Use &U : StatepointCS.vm_state_args()) {
2216       Value *Arg = cast<Value>(&U);
2217       assert(!isUnhandledGCPointerType(Arg->getType()) &&
2218              "support for FCA unimplemented");
2219       if (isHandledGCPointerType(Arg->getType()))
2220         DeoptValues.push_back(Arg);
2221     }
2222     insertUseHolderAfter(CS, DeoptValues, Holders);
2223   }
2224
2225   SmallVector<PartiallyConstructedSafepointRecord, 64> Records(ToUpdate.size());
2226
2227   // A) Identify all gc pointers which are statically live at the given call
2228   // site.
2229   findLiveReferences(F, DT, P, ToUpdate, Records);
2230
2231   // B) Find the base pointers for each live pointer
2232   /* scope for caching */ {
2233     // Cache the 'defining value' relation used in the computation and
2234     // insertion of base phis and selects.  This ensures that we don't insert
2235     // large numbers of duplicate base_phis.
2236     DefiningValueMapTy DVCache;
2237
2238     for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++) {
2239       PartiallyConstructedSafepointRecord &info = Records[i];
2240       findBasePointers(DT, DVCache, ToUpdate[i], info);
2241     }
2242   } // end of cache scope
2243
2244   // The base phi insertion logic (for any safepoint) may have inserted new
2245   // instructions which are now live at some safepoint.  The simplest such
2246   // example is:
2247   // loop:
2248   //   phi a  <-- will be a new base_phi here
2249   //   safepoint 1 <-- that needs to be live here
2250   //   gep a + 1
2251   //   safepoint 2
2252   //   br loop
2253   // We insert some dummy calls after each safepoint to definitely hold live
2254   // the base pointers which were identified for that safepoint.  We'll then
2255   // ask liveness for _every_ base inserted to see what is now live.  Then we
2256   // remove the dummy calls.
2257   Holders.reserve(Holders.size() + Records.size());
2258   for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++) {
2259     PartiallyConstructedSafepointRecord &Info = Records[i];
2260
2261     SmallVector<Value *, 128> Bases;
2262     for (auto Pair : Info.PointerToBase)
2263       Bases.push_back(Pair.second);
2264
2265     insertUseHolderAfter(ToUpdate[i], Bases, Holders);
2266   }
2267
2268   // By selecting base pointers, we've effectively inserted new uses. Thus, we
2269   // need to rerun liveness.  We may *also* have inserted new defs, but that's
2270   // not the key issue.
2271   recomputeLiveInValues(F, DT, P, ToUpdate, Records);
2272
2273   if (PrintBasePointers) {
2274     for (auto &Info : Records) {
2275       errs() << "Base Pairs: (w/Relocation)\n";
2276       for (auto Pair : Info.PointerToBase)
2277         errs() << " derived %" << Pair.first->getName() << " base %"
2278                << Pair.second->getName() << "\n";
2279     }
2280   }
2281
2282   for (CallInst *CI : Holders)
2283     CI->eraseFromParent();
2284
2285   Holders.clear();
2286
2287   // Do a limited scalarization of any live at safepoint vector values which
2288   // contain pointers.  This enables this pass to run after vectorization at
2289   // the cost of some possible performance loss.  TODO: it would be nice to
2290   // natively support vectors all the way through the backend so we don't need
2291   // to scalarize here.
2292   for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++) {
2293     PartiallyConstructedSafepointRecord &Info = Records[i];
2294     Instruction *Statepoint = ToUpdate[i].getInstruction();
2295     splitVectorValues(cast<Instruction>(Statepoint), Info.LiveSet,
2296                       Info.PointerToBase, DT);
2297   }
2298
2299   // In order to reduce live set of statepoint we might choose to rematerialize
2300   // some values instead of relocating them. This is purely an optimization and
2301   // does not influence correctness.
2302   TargetTransformInfo &TTI =
2303     P->getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
2304
2305   for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++)
2306     rematerializeLiveValues(ToUpdate[i], Records[i], TTI);
2307
2308   // Now run through and replace the existing statepoints with new ones with
2309   // the live variables listed.  We do not yet update uses of the values being
2310   // relocated. We have references to live variables that need to
2311   // survive to the last iteration of this loop.  (By construction, the
2312   // previous statepoint can not be a live variable, thus we can and remove
2313   // the old statepoint calls as we go.)
2314   for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++)
2315     makeStatepointExplicit(DT, ToUpdate[i], Records[i]);
2316
2317   ToUpdate.clear(); // prevent accident use of invalid CallSites
2318
2319   // Do all the fixups of the original live variables to their relocated selves
2320   SmallVector<Value *, 128> Live;
2321   for (size_t i = 0; i < Records.size(); i++) {
2322     PartiallyConstructedSafepointRecord &Info = Records[i];
2323     // We can't simply save the live set from the original insertion.  One of
2324     // the live values might be the result of a call which needs a safepoint.
2325     // That Value* no longer exists and we need to use the new gc_result.
2326     // Thankfully, the live set is embedded in the statepoint (and updated), so
2327     // we just grab that.
2328     Statepoint Statepoint(Info.StatepointToken);
2329     Live.insert(Live.end(), Statepoint.gc_args_begin(),
2330                 Statepoint.gc_args_end());
2331 #ifndef NDEBUG
2332     // Do some basic sanity checks on our liveness results before performing
2333     // relocation.  Relocation can and will turn mistakes in liveness results
2334     // into non-sensical code which is must harder to debug.
2335     // TODO: It would be nice to test consistency as well
2336     assert(DT.isReachableFromEntry(Info.StatepointToken->getParent()) &&
2337            "statepoint must be reachable or liveness is meaningless");
2338     for (Value *V : Statepoint.gc_args()) {
2339       if (!isa<Instruction>(V))
2340         // Non-instruction values trivial dominate all possible uses
2341         continue;
2342       auto *LiveInst = cast<Instruction>(V);
2343       assert(DT.isReachableFromEntry(LiveInst->getParent()) &&
2344              "unreachable values should never be live");
2345       assert(DT.dominates(LiveInst, Info.StatepointToken) &&
2346              "basic SSA liveness expectation violated by liveness analysis");
2347     }
2348 #endif
2349   }
2350   unique_unsorted(Live);
2351
2352 #ifndef NDEBUG
2353   // sanity check
2354   for (auto *Ptr : Live)
2355     assert(isGCPointerType(Ptr->getType()) && "must be a gc pointer type");
2356 #endif
2357
2358   relocationViaAlloca(F, DT, Live, Records);
2359   return !Records.empty();
2360 }
2361
2362 // Handles both return values and arguments for Functions and CallSites.
2363 template <typename AttrHolder>
2364 static void RemoveDerefAttrAtIndex(LLVMContext &Ctx, AttrHolder &AH,
2365                                    unsigned Index) {
2366   AttrBuilder R;
2367   if (AH.getDereferenceableBytes(Index))
2368     R.addAttribute(Attribute::get(Ctx, Attribute::Dereferenceable,
2369                                   AH.getDereferenceableBytes(Index)));
2370   if (AH.getDereferenceableOrNullBytes(Index))
2371     R.addAttribute(Attribute::get(Ctx, Attribute::DereferenceableOrNull,
2372                                   AH.getDereferenceableOrNullBytes(Index)));
2373
2374   if (!R.empty())
2375     AH.setAttributes(AH.getAttributes().removeAttributes(
2376         Ctx, Index, AttributeSet::get(Ctx, Index, R)));
2377 }
2378
2379 void
2380 RewriteStatepointsForGC::stripDereferenceabilityInfoFromPrototype(Function &F) {
2381   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
2382
2383   for (Argument &A : F.args())
2384     if (isa<PointerType>(A.getType()))
2385       RemoveDerefAttrAtIndex(Ctx, F, A.getArgNo() + 1);
2386
2387   if (isa<PointerType>(F.getReturnType()))
2388     RemoveDerefAttrAtIndex(Ctx, F, AttributeSet::ReturnIndex);
2389 }
2390
2391 void RewriteStatepointsForGC::stripDereferenceabilityInfoFromBody(Function &F) {
2392   if (F.empty())
2393     return;
2394
2395   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
2396   MDBuilder Builder(Ctx);
2397
2398   for (Instruction &I : instructions(F)) {
2399     if (const MDNode *MD = I.getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2400       assert(MD->getNumOperands() < 5 && "unrecognized metadata shape!");
2401       bool IsImmutableTBAA =
2402           MD->getNumOperands() == 4 &&
2403           mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(3))->getValue() == 1;
2404
2405       if (!IsImmutableTBAA)
2406         continue; // no work to do, MD_tbaa is already marked mutable
2407
2408       MDNode *Base = cast<MDNode>(MD->getOperand(0));
2409       MDNode *Access = cast<MDNode>(MD->getOperand(1));
2410       uint64_t Offset =
2411           mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(2))->getZExtValue();
2412
2413       MDNode *MutableTBAA =
2414           Builder.createTBAAStructTagNode(Base, Access, Offset);
2415       I.setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, MutableTBAA);
2416     }
2417
2418     if (CallSite CS = CallSite(&I)) {
2419       for (int i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; i++)
2420         if (isa<PointerType>(CS.getArgument(i)->getType()))
2421           RemoveDerefAttrAtIndex(Ctx, CS, i + 1);
2422       if (isa<PointerType>(CS.getType()))
2423         RemoveDerefAttrAtIndex(Ctx, CS, AttributeSet::ReturnIndex);
2424     }
2425   }
2426 }
2427
2428 /// Returns true if this function should be rewritten by this pass.  The main
2429 /// point of this function is as an extension point for custom logic.
2430 static bool shouldRewriteStatepointsIn(Function &F) {
2431   // TODO: This should check the GCStrategy
2432   if (F.hasGC()) {
2433     const char *FunctionGCName = F.getGC();
2434     const StringRef StatepointExampleName("statepoint-example");
2435     const StringRef CoreCLRName("coreclr");
2436     return (StatepointExampleName == FunctionGCName) ||
2437            (CoreCLRName == FunctionGCName);
2438   } else
2439     return false;
2440 }
2441
2442 void RewriteStatepointsForGC::stripDereferenceabilityInfo(Module &M) {
2443 #ifndef NDEBUG
2444   assert(std::any_of(M.begin(), M.end(), shouldRewriteStatepointsIn) &&
2445          "precondition!");
2446 #endif
2447
2448   for (Function &F : M)
2449     stripDereferenceabilityInfoFromPrototype(F);
2450
2451   for (Function &F : M)
2452     stripDereferenceabilityInfoFromBody(F);
2453 }
2454
2455 bool RewriteStatepointsForGC::runOnFunction(Function &F) {
2456   // Nothing to do for declarations.
2457   if (F.isDeclaration() || F.empty())
2458     return false;
2459
2460   // Policy choice says not to rewrite - the most common reason is that we're
2461   // compiling code without a GCStrategy.
2462   if (!shouldRewriteStatepointsIn(F))
2463     return false;
2464
2465   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>(F).getDomTree();
2466
2467   // Gather all the statepoints which need rewritten.  Be careful to only
2468   // consider those in reachable code since we need to ask dominance queries
2469   // when rewriting.  We'll delete the unreachable ones in a moment.
2470   SmallVector<CallSite, 64> ParsePointNeeded;
2471   bool HasUnreachableStatepoint = false;
2472   for (Instruction &I : instructions(F)) {
2473     // TODO: only the ones with the flag set!
2474     if (isStatepoint(I)) {
2475       if (DT.isReachableFromEntry(I.getParent()))
2476         ParsePointNeeded.push_back(CallSite(&I));
2477       else
2478         HasUnreachableStatepoint = true;
2479     }
2480   }
2481
2482   bool MadeChange = false;
2483
2484   // Delete any unreachable statepoints so that we don't have unrewritten
2485   // statepoints surviving this pass.  This makes testing easier and the
2486   // resulting IR less confusing to human readers.  Rather than be fancy, we
2487   // just reuse a utility function which removes the unreachable blocks.
2488   if (HasUnreachableStatepoint)
2489     MadeChange |= removeUnreachableBlocks(F);
2490
2491   // Return early if no work to do.
2492   if (ParsePointNeeded.empty())
2493     return MadeChange;
2494
2495   // As a prepass, go ahead and aggressively destroy single entry phi nodes.
2496   // These are created by LCSSA.  They have the effect of increasing the size
2497   // of liveness sets for no good reason.  It may be harder to do this post
2498   // insertion since relocations and base phis can confuse things.
2499   for (BasicBlock &BB : F)
2500     if (BB.getUniquePredecessor()) {
2501       MadeChange = true;
2502       FoldSingleEntryPHINodes(&BB);
2503     }
2504
2505   // Before we start introducing relocations, we want to tweak the IR a bit to
2506   // avoid unfortunate code generation effects.  The main example is that we 
2507   // want to try to make sure the comparison feeding a branch is after any
2508   // safepoints.  Otherwise, we end up with a comparison of pre-relocation
2509   // values feeding a branch after relocation.  This is semantically correct,
2510   // but results in extra register pressure since both the pre-relocation and
2511   // post-relocation copies must be available in registers.  For code without
2512   // relocations this is handled elsewhere, but teaching the scheduler to
2513   // reverse the transform we're about to do would be slightly complex.
2514   // Note: This may extend the live range of the inputs to the icmp and thus
2515   // increase the liveset of any statepoint we move over.  This is profitable
2516   // as long as all statepoints are in rare blocks.  If we had in-register
2517   // lowering for live values this would be a much safer transform.
2518   auto getConditionInst = [](TerminatorInst *TI) -> Instruction* {
2519     if (auto *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI))
2520       if (BI->isConditional())
2521         return dyn_cast<Instruction>(BI->getCondition());
2522     // TODO: Extend this to handle switches
2523     return nullptr;
2524   };
2525   for (BasicBlock &BB : F) {
2526     TerminatorInst *TI = BB.getTerminator();
2527     if (auto *Cond = getConditionInst(TI))
2528       // TODO: Handle more than just ICmps here.  We should be able to move
2529       // most instructions without side effects or memory access.  
2530       if (isa<ICmpInst>(Cond) && Cond->hasOneUse()) {
2531         MadeChange = true;
2532         Cond->moveBefore(TI);
2533       }
2534   }
2535
2536   MadeChange |= insertParsePoints(F, DT, this, ParsePointNeeded);
2537   return MadeChange;
2538 }
2539
2540 // liveness computation via standard dataflow
2541 // -------------------------------------------------------------------
2542
2543 // TODO: Consider using bitvectors for liveness, the set of potentially
2544 // interesting values should be small and easy to pre-compute.
2545
2546 /// Compute the live-in set for the location rbegin starting from
2547 /// the live-out set of the basic block
2548 static void computeLiveInValues(BasicBlock::reverse_iterator rbegin,
2549                                 BasicBlock::reverse_iterator rend,
2550                                 DenseSet<Value *> &LiveTmp) {
2551
2552   for (BasicBlock::reverse_iterator ritr = rbegin; ritr != rend; ritr++) {
2553     Instruction *I = &*ritr;
2554
2555     // KILL/Def - Remove this definition from LiveIn
2556     LiveTmp.erase(I);
2557
2558     // Don't consider *uses* in PHI nodes, we handle their contribution to
2559     // predecessor blocks when we seed the LiveOut sets
2560     if (isa<PHINode>(I))
2561       continue;
2562
2563     // USE - Add to the LiveIn set for this instruction
2564     for (Value *V : I->operands()) {
2565       assert(!isUnhandledGCPointerType(V->getType()) &&
2566              "support for FCA unimplemented");
2567       if (isHandledGCPointerType(V->getType()) && !isa<Constant>(V)) {
2568         // The choice to exclude all things constant here is slightly subtle.
2569         // There are two independent reasons:
2570         // - We assume that things which are constant (from LLVM's definition)
2571         // do not move at runtime.  For example, the address of a global
2572         // variable is fixed, even though it's contents may not be.
2573         // - Second, we can't disallow arbitrary inttoptr constants even
2574         // if the language frontend does.  Optimization passes are free to
2575         // locally exploit facts without respect to global reachability.  This
2576         // can create sections of code which are dynamically unreachable and
2577         // contain just about anything.  (see constants.ll in tests)
2578         LiveTmp.insert(V);
2579       }
2580     }
2581   }
2582 }
2583
2584 static void computeLiveOutSeed(BasicBlock *BB, DenseSet<Value *> &LiveTmp) {
2585
2586   for (BasicBlock *Succ : successors(BB)) {
2587     const BasicBlock::iterator E(Succ->getFirstNonPHI());
2588     for (BasicBlock::iterator I = Succ->begin(); I != E; I++) {
2589       PHINode *Phi = cast<PHINode>(&*I);
2590       Value *V = Phi->getIncomingValueForBlock(BB);
2591       assert(!isUnhandledGCPointerType(V->getType()) &&
2592              "support for FCA unimplemented");
2593       if (isHandledGCPointerType(V->getType()) && !isa<Constant>(V)) {
2594         LiveTmp.insert(V);
2595       }
2596     }
2597   }
2598 }
2599
2600 static DenseSet<Value *> computeKillSet(BasicBlock *BB) {
2601   DenseSet<Value *> KillSet;
2602   for (Instruction &I : *BB)
2603     if (isHandledGCPointerType(I.getType()))
2604       KillSet.insert(&I);
2605   return KillSet;
2606 }
2607
2608 #ifndef NDEBUG
2609 /// Check that the items in 'Live' dominate 'TI'.  This is used as a basic
2610 /// sanity check for the liveness computation.
2611 static void checkBasicSSA(DominatorTree &DT, DenseSet<Value *> &Live,
2612                           TerminatorInst *TI, bool TermOkay = false) {
2613   for (Value *V : Live) {
2614     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
2615       // The terminator can be a member of the LiveOut set.  LLVM's definition
2616       // of instruction dominance states that V does not dominate itself.  As
2617       // such, we need to special case this to allow it.
2618       if (TermOkay && TI == I)
2619         continue;
2620       assert(DT.dominates(I, TI) &&
2621              "basic SSA liveness expectation violated by liveness analysis");
2622     }
2623   }
2624 }
2625
2626 /// Check that all the liveness sets used during the computation of liveness
2627 /// obey basic SSA properties.  This is useful for finding cases where we miss
2628 /// a def.
2629 static void checkBasicSSA(DominatorTree &DT, GCPtrLivenessData &Data,
2630                           BasicBlock &BB) {
2631   checkBasicSSA(DT, Data.LiveSet[&BB], BB.getTerminator());
2632   checkBasicSSA(DT, Data.LiveOut[&BB], BB.getTerminator(), true);
2633   checkBasicSSA(DT, Data.LiveIn[&BB], BB.getTerminator());
2634 }
2635 #endif
2636
2637 static void computeLiveInValues(DominatorTree &DT, Function &F,
2638                                 GCPtrLivenessData &Data) {
2639
2640   SmallSetVector<BasicBlock *, 200> Worklist;
2641   auto AddPredsToWorklist = [&](BasicBlock *BB) {
2642     // We use a SetVector so that we don't have duplicates in the worklist.
2643     Worklist.insert(pred_begin(BB), pred_end(BB));
2644   };
2645   auto NextItem = [&]() {
2646     BasicBlock *BB = Worklist.back();
2647     Worklist.pop_back();
2648     return BB;
2649   };
2650
2651   // Seed the liveness for each individual block
2652   for (BasicBlock &BB : F) {
2653     Data.KillSet[&BB] = computeKillSet(&BB);
2654     Data.LiveSet[&BB].clear();
2655     computeLiveInValues(BB.rbegin(), BB.rend(), Data.LiveSet[&BB]);
2656
2657 #ifndef NDEBUG
2658     for (Value *Kill : Data.KillSet[&BB])
2659       assert(!Data.LiveSet[&BB].count(Kill) && "live set contains kill");
2660 #endif
2661
2662     Data.LiveOut[&BB] = DenseSet<Value *>();
2663     computeLiveOutSeed(&BB, Data.LiveOut[&BB]);
2664     Data.LiveIn[&BB] = Data.LiveSet[&BB];
2665     set_union(Data.LiveIn[&BB], Data.LiveOut[&BB]);
2666     set_subtract(Data.LiveIn[&BB], Data.KillSet[&BB]);
2667     if (!Data.LiveIn[&BB].empty())
2668       AddPredsToWorklist(&BB);
2669   }
2670
2671   // Propagate that liveness until stable
2672   while (!Worklist.empty()) {
2673     BasicBlock *BB = NextItem();
2674
2675     // Compute our new liveout set, then exit early if it hasn't changed
2676     // despite the contribution of our successor.
2677     DenseSet<Value *> LiveOut = Data.LiveOut[BB];
2678     const auto OldLiveOutSize = LiveOut.size();
2679     for (BasicBlock *Succ : successors(BB)) {
2680       assert(Data.LiveIn.count(Succ));
2681       set_union(LiveOut, Data.LiveIn[Succ]);
2682     }
2683     // assert OutLiveOut is a subset of LiveOut
2684     if (OldLiveOutSize == LiveOut.size()) {
2685       // If the sets are the same size, then we didn't actually add anything
2686       // when unioning our successors LiveIn  Thus, the LiveIn of this block
2687       // hasn't changed.
2688       continue;
2689     }
2690     Data.LiveOut[BB] = LiveOut;
2691
2692     // Apply the effects of this basic block
2693     DenseSet<Value *> LiveTmp = LiveOut;
2694     set_union(LiveTmp, Data.LiveSet[BB]);
2695     set_subtract(LiveTmp, Data.KillSet[BB]);
2696
2697     assert(Data.LiveIn.count(BB));
2698     const DenseSet<Value *> &OldLiveIn = Data.LiveIn[BB];
2699     // assert: OldLiveIn is a subset of LiveTmp
2700     if (OldLiveIn.size() != LiveTmp.size()) {
2701       Data.LiveIn[BB] = LiveTmp;
2702       AddPredsToWorklist(BB);
2703     }
2704   } // while( !worklist.empty() )
2705
2706 #ifndef NDEBUG
2707   // Sanity check our output against SSA properties.  This helps catch any
2708   // missing kills during the above iteration.
2709   for (BasicBlock &BB : F) {
2710     checkBasicSSA(DT, Data, BB);
2711   }
2712 #endif
2713 }
2714
2715 static void findLiveSetAtInst(Instruction *Inst, GCPtrLivenessData &Data,
2716                               StatepointLiveSetTy &Out) {
2717
2718   BasicBlock *BB = Inst->getParent();
2719
2720   // Note: The copy is intentional and required
2721   assert(Data.LiveOut.count(BB));
2722   DenseSet<Value *> LiveOut = Data.LiveOut[BB];
2723
2724   // We want to handle the statepoint itself oddly.  It's
2725   // call result is not live (normal), nor are it's arguments
2726   // (unless they're used again later).  This adjustment is
2727   // specifically what we need to relocate
2728   BasicBlock::reverse_iterator rend(Inst);
2729   computeLiveInValues(BB->rbegin(), rend, LiveOut);
2730   LiveOut.erase(Inst);
2731   Out.insert(LiveOut.begin(), LiveOut.end());
2732 }
2733
2734 static void recomputeLiveInValues(GCPtrLivenessData &RevisedLivenessData,
2735                                   const CallSite &CS,
2736                                   PartiallyConstructedSafepointRecord &Info) {
2737   Instruction *Inst = CS.getInstruction();
2738   StatepointLiveSetTy Updated;
2739   findLiveSetAtInst(Inst, RevisedLivenessData, Updated);
2740
2741 #ifndef NDEBUG
2742   DenseSet<Value *> Bases;
2743   for (auto KVPair : Info.PointerToBase) {
2744     Bases.insert(KVPair.second);
2745   }
2746 #endif
2747   // We may have base pointers which are now live that weren't before.  We need
2748   // to update the PointerToBase structure to reflect this.
2749   for (auto V : Updated)
2750     if (!Info.PointerToBase.count(V)) {
2751       assert(Bases.count(V) && "can't find base for unexpected live value");
2752       Info.PointerToBase[V] = V;
2753       continue;
2754     }
2755
2756 #ifndef NDEBUG
2757   for (auto V : Updated) {
2758     assert(Info.PointerToBase.count(V) &&
2759            "must be able to find base for live value");
2760   }
2761 #endif
2762
2763   // Remove any stale base mappings - this can happen since our liveness is
2764   // more precise then the one inherent in the base pointer analysis
2765   DenseSet<Value *> ToErase;
2766   for (auto KVPair : Info.PointerToBase)
2767     if (!Updated.count(KVPair.first))
2768       ToErase.insert(KVPair.first);
2769   for (auto V : ToErase)
2770     Info.PointerToBase.erase(V);
2771
2772 #ifndef NDEBUG
2773   for (auto KVPair : Info.PointerToBase)
2774     assert(Updated.count(KVPair.first) && "record for non-live value");
2775 #endif
2776
2777   Info.LiveSet = Updated;
2778 }