68be8440953af3197fd88b8e1d94a93380d56959
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SCCP.cpp
1 //===- SCCP.cpp - Sparse Conditional Constant Propogation -----------------===//
2 //
3 // This file implements sparse conditional constant propogation and merging:
4 //
5 // Specifically, this:
6 //   * Assumes values are constant unless proven otherwise
7 //   * Assumes BasicBlocks are dead unless proven otherwise
8 //   * Proves values to be constant, and replaces them with constants
9 //   . Proves conditional branches constant, and unconditionalizes them
10 //   * Folds multiple identical constants in the constant pool together
11 //
12 // Notice that:
13 //   * This pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good idea
14 //     to to run a DCE pass sometime after running this pass.
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #include "llvm/Optimizations/ConstantProp.h"
19 #include "llvm/Optimizations/ConstantHandling.h"
20 #include "llvm/Method.h"
21 #include "llvm/BasicBlock.h"
22 #include "llvm/ConstantVals.h"
23 #include "llvm/InstrTypes.h"
24 #include "llvm/iPHINode.h"
25 #include "llvm/iMemory.h"
26 #include "llvm/iTerminators.h"
27 #include "llvm/iOther.h"
28 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
29 #include "Support/STLExtras.h"
30 #include <algorithm>
31 #include <map>
32 #include <set>
33 #include <iostream>
34 using std::cerr;
35
36 // InstVal class - This class represents the different lattice values that an 
37 // instruction may occupy.  It is a simple class with value semantics.  The
38 // potential constant value that is pointed to is owned by the constant pool
39 // for the method being optimized.
40 //
41 class InstVal {
42   enum { 
43     undefined,           // This instruction has no known value
44     constant,            // This instruction has a constant value
45     // Range,            // This instruction is known to fall within a range
46     overdefined          // This instruction has an unknown value
47   } LatticeValue;        // The current lattice position
48   Constant *ConstantVal; // If Constant value, the current value
49 public:
50   inline InstVal() : LatticeValue(undefined), ConstantVal(0) {}
51
52   // markOverdefined - Return true if this is a new status to be in...
53   inline bool markOverdefined() {
54     if (LatticeValue != overdefined) {
55       LatticeValue = overdefined;
56       return true;
57     }
58     return false;
59   }
60
61   // markConstant - Return true if this is a new status for us...
62   inline bool markConstant(Constant *V) {
63     if (LatticeValue != constant) {
64       LatticeValue = constant;
65       ConstantVal = V;
66       return true;
67     } else {
68       assert(ConstantVal == V && "Marking constant with different value");
69     }
70     return false;
71   }
72
73   inline bool isUndefined()   const { return LatticeValue == undefined; }
74   inline bool isConstant()    const { return LatticeValue == constant; }
75   inline bool isOverdefined() const { return LatticeValue == overdefined; }
76
77   inline Constant *getConstant() const { return ConstantVal; }
78 };
79
80
81
82 //===----------------------------------------------------------------------===//
83 // SCCP Class
84 //
85 // This class does all of the work of Sparse Conditional Constant Propogation.
86 // It's public interface consists of a constructor and a doSCCP() method.
87 //
88 class SCCP {
89   Method *M;                             // The method that we are working on...
90
91   std::set<BasicBlock*>     BBExecutable;// The basic blocks that are executable
92   std::map<Value*, InstVal> ValueState;  // The state each value is in...
93
94   std::vector<Instruction*> InstWorkList;// The instruction work list
95   std::vector<BasicBlock*>  BBWorkList;  // The BasicBlock work list
96
97   //===--------------------------------------------------------------------===//
98   // The public interface for this class
99   //
100 public:
101
102   // SCCP Ctor - Save the method to operate on...
103   inline SCCP(Method *m) : M(m) {}
104
105   // doSCCP() - Run the Sparse Conditional Constant Propogation algorithm, and 
106   // return true if the method was modified.
107   bool doSCCP();
108
109   //===--------------------------------------------------------------------===//
110   // The implementation of this class
111   //
112 private:
113
114   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "constant".  If the value
115   // is not already a constant, add it to the instruction work list so that 
116   // the users of the instruction are updated later.
117   //
118   inline bool markConstant(Instruction *I, Constant *V) {
119     //cerr << "markConstant: " << V << " = " << I;
120     if (ValueState[I].markConstant(V)) {
121       InstWorkList.push_back(I);
122       return true;
123     }
124     return false;
125   }
126
127   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "overdefined". If the
128   // value is not already overdefined, add it to the instruction work list so
129   // that the users of the instruction are updated later.
130   //
131   inline bool markOverdefined(Value *V) {
132     if (ValueState[V].markOverdefined()) {
133       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
134         //cerr << "markOverdefined: " << V;
135         InstWorkList.push_back(I);  // Only instructions go on the work list
136       }
137       return true;
138     }
139     return false;
140   }
141
142   // getValueState - Return the InstVal object that corresponds to the value.
143   // This function is neccesary because not all values should start out in the
144   // underdefined state... MethodArgument's should be overdefined, and constants
145   // should be marked as constants.  If a value is not known to be an
146   // Instruction object, then use this accessor to get its value from the map.
147   //
148   inline InstVal &getValueState(Value *V) {
149     std::map<Value*, InstVal>::iterator I = ValueState.find(V);
150     if (I != ValueState.end()) return I->second;  // Common case, in the map
151       
152     if (Constant *CPV = dyn_cast<Constant>(V)) {  // Constants are constant
153       ValueState[CPV].markConstant(CPV);
154     } else if (isa<MethodArgument>(V)) {          // MethodArgs are overdefined
155       ValueState[V].markOverdefined();
156     } 
157     // All others are underdefined by default...
158     return ValueState[V];
159   }
160
161   // markExecutable - Mark a basic block as executable, adding it to the BB 
162   // work list if it is not already executable...
163   // 
164   void markExecutable(BasicBlock *BB) {
165     if (BBExecutable.count(BB)) return;
166     //cerr << "Marking BB Executable: " << BB;
167     BBExecutable.insert(BB);   // Basic block is executable!
168     BBWorkList.push_back(BB);  // Add the block to the work list!
169   }
170
171
172   // UpdateInstruction - Something changed in this instruction... Either an 
173   // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
174   // the value type of I to reflect these changes if appropriate.
175   //
176   void UpdateInstruction(Instruction *I);
177
178   // OperandChangedState - This method is invoked on all of the users of an
179   // instruction that was just changed state somehow....  Based on this
180   // information, we need to update the specified user of this instruction.
181   //
182   void OperandChangedState(User *U);
183 };
184
185
186 //===----------------------------------------------------------------------===//
187 // SCCP Class Implementation
188
189
190 // doSCCP() - Run the Sparse Conditional Constant Propogation algorithm, and 
191 // return true if the method was modified.
192 //
193 bool SCCP::doSCCP() {
194   // Mark the first block of the method as being executable...
195   markExecutable(M->front());
196
197   // Process the work lists until their are empty!
198   while (!BBWorkList.empty() || !InstWorkList.empty()) {
199     // Process the instruction work list...
200     while (!InstWorkList.empty()) {
201       Instruction *I = InstWorkList.back();
202       InstWorkList.pop_back();
203
204       //cerr << "\nPopped off I-WL: " << I;
205
206       
207       // "I" got into the work list because it either made the transition from
208       // bottom to constant, or to Overdefined.
209       //
210       // Update all of the users of this instruction's value...
211       //
212       for_each(I->use_begin(), I->use_end(),
213                bind_obj(this, &SCCP::OperandChangedState));
214     }
215
216     // Process the basic block work list...
217     while (!BBWorkList.empty()) {
218       BasicBlock *BB = BBWorkList.back();
219       BBWorkList.pop_back();
220
221       //cerr << "\nPopped off BBWL: " << BB;
222
223       // If this block only has a single successor, mark it as executable as
224       // well... if not, terminate the do loop.
225       //
226       if (BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1)
227         markExecutable(BB->getTerminator()->getSuccessor(0));
228
229       // Loop over all of the instructions and notify them that they are newly
230       // executable...
231       for_each(BB->begin(), BB->end(),
232                bind_obj(this, &SCCP::UpdateInstruction));
233     }
234   }
235
236 #if 0
237   for (Method::iterator BBI = M->begin(), BBEnd = M->end(); BBI != BBEnd; ++BBI)
238     if (!BBExecutable.count(*BBI))
239       cerr << "BasicBlock Dead:" << *BBI;
240 #endif
241
242
243   // Iterate over all of the instructions in a method, replacing them with
244   // constants if we have found them to be of constant values.
245   //
246   bool MadeChanges = false;
247   for (Method::inst_iterator II = M->inst_begin(); II != M->inst_end(); ) {
248     Instruction *Inst = *II;
249     InstVal &IV = ValueState[Inst];
250     if (IV.isConstant()) {
251       Constant *Const = IV.getConstant();
252       // cerr << "Constant: " << Inst << "  is: " << Const;
253
254       // Replaces all of the uses of a variable with uses of the constant.
255       Inst->replaceAllUsesWith(Const);
256
257       // Remove the operator from the list of definitions...
258       Inst->getParent()->getInstList().remove(II.getInstructionIterator());
259
260       // The new constant inherits the old name of the operator...
261       if (Inst->hasName() && !Const->hasName())
262         Const->setName(Inst->getName(), M->getSymbolTableSure());
263
264       // Delete the operator now...
265       delete Inst;
266
267       // Incrementing the iterator in an unchecked manner could mess up the
268       // internals of 'II'.  To make sure everything is happy, tell it we might
269       // have broken it.
270       II.resyncInstructionIterator();
271
272       // Hey, we just changed something!
273       MadeChanges = true;
274       continue;   // Skip the ++II at the end of the loop here...
275     } else if (Inst->isTerminator()) {
276       MadeChanges |= opt::ConstantFoldTerminator(cast<TerminatorInst>(Inst));
277     }
278
279     ++II;
280   }
281
282   // Merge identical constants last: this is important because we may have just
283   // introduced constants that already exist, and we don't want to pollute later
284   // stages with extraneous constants.
285   //
286   return MadeChanges;
287 }
288
289
290 // UpdateInstruction - Something changed in this instruction... Either an
291 // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
292 // the value type of I to reflect these changes if appropriate.  This method
293 // makes sure to do the following actions:
294 //
295 // 1. If a phi node merges two constants in, and has conflicting value coming
296 //    from different branches, or if the PHI node merges in an overdefined
297 //    value, then the PHI node becomes overdefined.
298 // 2. If a phi node merges only constants in, and they all agree on value, the
299 //    PHI node becomes a constant value equal to that.
300 // 3. If V <- x (op) y && isConstant(x) && isConstant(y) V = Constant
301 // 4. If V <- x (op) y && (isOverdefined(x) || isOverdefined(y)) V = Overdefined
302 // 5. If V <- MEM or V <- CALL or V <- (unknown) then V = Overdefined
303 // 6. If a conditional branch has a value that is constant, make the selected
304 //    destination executable
305 // 7. If a conditional branch has a value that is overdefined, make all
306 //    successors executable.
307 //
308 void SCCP::UpdateInstruction(Instruction *I) {
309   InstVal &IValue = ValueState[I];
310   if (IValue.isOverdefined())
311     return; // If already overdefined, we aren't going to effect anything
312
313   switch (I->getOpcode()) {
314     //===-----------------------------------------------------------------===//
315     // Handle PHI nodes...
316     //
317   case Instruction::PHINode: {
318     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
319     unsigned NumValues = PN->getNumIncomingValues(), i;
320     InstVal *OperandIV = 0;
321
322     // Look at all of the executable operands of the PHI node.  If any of them
323     // are overdefined, the PHI becomes overdefined as well.  If they are all
324     // constant, and they agree with each other, the PHI becomes the identical
325     // constant.  If they are constant and don't agree, the PHI is overdefined.
326     // If there are no executable operands, the PHI remains undefined.
327     //
328     for (i = 0; i < NumValues; ++i) {
329       if (BBExecutable.count(PN->getIncomingBlock(i))) {
330         InstVal &IV = getValueState(PN->getIncomingValue(i));
331         if (IV.isUndefined()) continue;  // Doesn't influence PHI node.
332         if (IV.isOverdefined()) {   // PHI node becomes overdefined!
333           markOverdefined(PN);
334           return;
335         }
336
337         if (OperandIV == 0) {   // Grab the first value...
338           OperandIV = &IV;
339         } else {                // Another value is being merged in!
340           // There is already a reachable operand.  If we conflict with it,
341           // then the PHI node becomes overdefined.  If we agree with it, we
342           // can continue on.
343
344           // Check to see if there are two different constants merging...
345           if (IV.getConstant() != OperandIV->getConstant()) {
346             // Yes there is.  This means the PHI node is not constant.
347             // You must be overdefined poor PHI.
348             //
349             markOverdefined(I);         // The PHI node now becomes overdefined
350             return;    // I'm done analyzing you
351           }
352         }
353       }
354     }
355
356     // If we exited the loop, this means that the PHI node only has constant
357     // arguments that agree with each other(and OperandIV is a pointer to one
358     // of their InstVal's) or OperandIV is null because there are no defined
359     // incoming arguments.  If this is the case, the PHI remains undefined.
360     //
361     if (OperandIV) {
362       assert(OperandIV->isConstant() && "Should only be here for constants!");
363       markConstant(I, OperandIV->getConstant());  // Aquire operand value
364     }
365     return;
366   }
367
368     //===-----------------------------------------------------------------===//
369     // Handle instructions that unconditionally provide overdefined values...
370     //
371   case Instruction::Malloc:
372   case Instruction::Free:
373   case Instruction::Alloca:
374   case Instruction::Load:
375   case Instruction::Store:
376     // TODO: getfield
377   case Instruction::Call:
378   case Instruction::Invoke:
379     markOverdefined(I);          // Memory and call's are all overdefined
380     return;
381
382     //===-----------------------------------------------------------------===//
383     // Handle Terminator instructions...
384     //
385   case Instruction::Ret: return;  // Method return doesn't affect anything
386   case Instruction::Br: {        // Handle conditional branches...
387     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
388     if (BI->isUnconditional())
389       return; // Unconditional branches are already handled!
390
391     InstVal &BCValue = getValueState(BI->getCondition());
392     if (BCValue.isOverdefined()) {
393       // Overdefined condition variables mean the branch could go either way.
394       markExecutable(BI->getSuccessor(0));
395       markExecutable(BI->getSuccessor(1));
396     } else if (BCValue.isConstant()) {
397       // Constant condition variables mean the branch can only go a single way.
398       ConstantBool *CPB = cast<ConstantBool>(BCValue.getConstant());
399       if (CPB->getValue())       // If the branch condition is TRUE...
400         markExecutable(BI->getSuccessor(0));
401       else                       // Else if the br cond is FALSE...
402         markExecutable(BI->getSuccessor(1));
403     }
404     return;
405   }
406
407   case Instruction::Switch: {
408     SwitchInst *SI = cast<SwitchInst>(I);
409     InstVal &SCValue = getValueState(SI->getCondition());
410     if (SCValue.isOverdefined()) {  // Overdefined condition?  All dests are exe
411       for(unsigned i = 0; BasicBlock *Succ = SI->getSuccessor(i); ++i)
412         markExecutable(Succ);
413     } else if (SCValue.isConstant()) {
414       Constant *CPV = SCValue.getConstant();
415       // Make sure to skip the "default value" which isn't a value
416       for (unsigned i = 1, E = SI->getNumSuccessors(); i != E; ++i) {
417         if (SI->getSuccessorValue(i) == CPV) {// Found the right branch...
418           markExecutable(SI->getSuccessor(i));
419           return;
420         }
421       }
422
423       // Constant value not equal to any of the branches... must execute
424       // default branch then...
425       markExecutable(SI->getDefaultDest());
426     }
427     return;
428   }
429
430   default: break;  // Handle math operators as groups.
431   } // end switch(I->getOpcode())
432
433
434   //===-------------------------------------------------------------------===//
435   // Handle Unary instructions...
436   //   Also treated as unary here, are cast instructions and getelementptr
437   //   instructions on struct* operands.
438   //
439   if (isa<UnaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
440       (isa<GetElementPtrInst>(I) &&
441        cast<GetElementPtrInst>(I)->isStructSelector())) {
442
443     Value *V = I->getOperand(0);
444     InstVal &VState = getValueState(V);
445     if (VState.isOverdefined()) {        // Inherit overdefinedness of operand
446       markOverdefined(I);
447     } else if (VState.isConstant()) {    // Propogate constant value
448       Constant *Result = isa<CastInst>(I)
449         ? opt::ConstantFoldCastInstruction(VState.getConstant(), I->getType())
450         : opt::ConstantFoldUnaryInstruction(I->getOpcode(),
451                                             VState.getConstant());
452
453       if (Result) {
454         // This instruction constant folds!
455         markConstant(I, Result);
456       } else {
457         markOverdefined(I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
458       }
459     }
460     return;
461   }
462
463   //===-----------------------------------------------------------------===//
464   // Handle Binary instructions...
465   //
466   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<ShiftInst>(I)) {
467     Value *V1 = I->getOperand(0);
468     Value *V2 = I->getOperand(1);
469
470     InstVal &V1State = getValueState(V1);
471     InstVal &V2State = getValueState(V2);
472     if (V1State.isOverdefined() || V2State.isOverdefined()) {
473       markOverdefined(I);
474     } else if (V1State.isConstant() && V2State.isConstant()) {
475       Constant *Result =
476         opt::ConstantFoldBinaryInstruction(I->getOpcode(),
477                                              V1State.getConstant(),
478                                              V2State.getConstant());
479       if (Result) {
480         // This instruction constant folds!
481         markConstant(I, Result);
482       } else {
483         markOverdefined(I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
484       }
485     }
486     return;
487   }
488
489   // Shouldn't get here... either the switch statement or one of the group
490   // handlers should have kicked in...
491   //
492   cerr << "SCCP: Don't know how to handle: " << I;
493   markOverdefined(I);   // Just in case
494 }
495
496
497
498 // OperandChangedState - This method is invoked on all of the users of an
499 // instruction that was just changed state somehow....  Based on this
500 // information, we need to update the specified user of this instruction.
501 //
502 void SCCP::OperandChangedState(User *U) {
503   // Only instructions use other variable values!
504   Instruction *I = cast<Instruction>(U);
505   if (!BBExecutable.count(I->getParent())) return;  // Inst not executable yet!
506
507   UpdateInstruction(I);
508 }
509
510
511 // DoSparseConditionalConstantProp - Use Sparse Conditional Constant Propogation
512 // to prove whether a value is constant and whether blocks are used.
513 //
514 bool opt::SCCPPass::doSCCP(Method *M) {
515   if (M->isExternal()) return false;
516   SCCP S(M);
517   return S.doSCCP();
518 }