lib/Transforms/Scalar/ScalarReplAggregates.cpp

   1 //===- ScalarReplAggregates.cpp - Scalar Replacement of Aggregates --------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This transformation implements the well known scalar replacement of
  11 // aggregates transformation.  This xform breaks up alloca instructions of
  12 // aggregate type (structure or array) into individual alloca instructions for
  13 // each member (if possible).  Then, if possible, it transforms the individual
  14 // alloca instructions into nice clean scalar SSA form.
  15 //
  16 // This combines a simple SRoA algorithm with the Mem2Reg algorithm because
  17 // often interact, especially for C++ programs.  As such, iterating between
  18 // SRoA, then Mem2Reg until we run out of things to promote works well.
  19 //
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 #define DEBUG_TYPE "scalarrepl"
  23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  24 #include "llvm/Constants.h"
  25 #include "llvm/DerivedTypes.h"
  26 #include "llvm/Function.h"
  27 #include "llvm/GlobalVariable.h"
  28 #include "llvm/Instructions.h"
  29 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
  30 #include "llvm/Pass.h"
  31 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  32 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  33 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
  34 #include "llvm/Support/Debug.h"
  35 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
  36 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
  37 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  38 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  39 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  40 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
  41 using namespace llvm;
  42
  43 STATISTIC(NumReplaced,  "Number of allocas broken up");
  44 STATISTIC(NumPromoted,  "Number of allocas promoted");
  45 STATISTIC(NumConverted, "Number of aggregates converted to scalar");
  46 STATISTIC(NumGlobals,   "Number of allocas copied from constant global");
  47
  48 namespace {
  49   struct VISIBILITY_HIDDEN SROA : public FunctionPass {
  50     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  51     explicit SROA(signed T = -1) : FunctionPass((intptr_t)&ID) {
  52       if (T == -1)
  53         SRThreshold = 128;
  54       else
  55         SRThreshold = T;
  56     }
  57
  58     bool runOnFunction(Function &F);
  59
  60     bool performScalarRepl(Function &F);
  61     bool performPromotion(Function &F);
  62
  63     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
  64     // will not alter the CFG, so say so.
  65     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  66       AU.addRequired<DominatorTree>();
  67       AU.addRequired<DominanceFrontier>();
  68       AU.addRequired<TargetData>();
  69       AU.setPreservesCFG();
  70     }
  71
  72   private:
  73     /// AllocaInfo - When analyzing uses of an alloca instruction, this captures
  74     /// information about the uses.  All these fields are initialized to false
  75     /// and set to true when something is learned.
  76     struct AllocaInfo {
  77       /// isUnsafe - This is set to true if the alloca cannot be SROA'd.
  78       bool isUnsafe : 1;
  79
  80       /// needsCanon - This is set to true if there is some use of the alloca
  81       /// that requires canonicalization.
  82       bool needsCanon : 1;
  83
  84       /// isMemCpySrc - This is true if this aggregate is memcpy'd from.
  85       bool isMemCpySrc : 1;
  86
  87       /// isMemCpyDst - This is true if this aggregate is memcpy'd into.
  88       bool isMemCpyDst : 1;
  89
  90       AllocaInfo()
  91         : isUnsafe(false), needsCanon(false),
  92           isMemCpySrc(false), isMemCpyDst(false) {}
  93     };
  94
  95     unsigned SRThreshold;
  96
  97     void MarkUnsafe(AllocaInfo &I) { I.isUnsafe = true; }
  98
  99     int isSafeAllocaToScalarRepl(AllocationInst *AI);
 100
 101     void isSafeUseOfAllocation(Instruction *User, AllocationInst *AI,
 102                                AllocaInfo &Info);
 103     void isSafeElementUse(Value *Ptr, bool isFirstElt, AllocationInst *AI,
 104                          AllocaInfo &Info);
 105     void isSafeMemIntrinsicOnAllocation(MemIntrinsic *MI, AllocationInst *AI,
 106                                         unsigned OpNo, AllocaInfo &Info);
 107     void isSafeUseOfBitCastedAllocation(BitCastInst *User, AllocationInst *AI,
 108                                         AllocaInfo &Info);
 109
 110     void DoScalarReplacement(AllocationInst *AI,
 111                              std::vector<AllocationInst*> &WorkList);
 112     void CanonicalizeAllocaUsers(AllocationInst *AI);
 113     AllocaInst *AddNewAlloca(Function &F, const Type *Ty, AllocationInst *Base);
 114
 115     void RewriteBitCastUserOfAlloca(Instruction *BCInst, AllocationInst *AI,
 116                                     SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
 117
 118     const Type *CanConvertToScalar(Value *V, bool &IsNotTrivial);
 119     void ConvertToScalar(AllocationInst *AI, const Type *Ty);
 120     void ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, unsigned Offset);
 121     Value *ConvertUsesOfLoadToScalar(LoadInst *LI, AllocaInst *NewAI,
 122                                      unsigned Offset);
 123     Value *ConvertUsesOfStoreToScalar(StoreInst *SI, AllocaInst *NewAI,
 124                                       unsigned Offset);
 125     static Instruction *isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocationInst *AI);
 126   };
 127 }
 128
 129 char SROA::ID = 0;
 130 static RegisterPass<SROA> X("scalarrepl", "Scalar Replacement of Aggregates");
 131
 132 // Public interface to the ScalarReplAggregates pass
 133 FunctionPass *llvm::createScalarReplAggregatesPass(signed int Threshold) {
 134   return new SROA(Threshold);
 135 }
 136
 137
 138 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
 139   bool Changed = performPromotion(F);
 140   while (1) {
 141     bool LocalChange = performScalarRepl(F);
 142     if (!LocalChange) break;   // No need to repromote if no scalarrepl
 143     Changed = true;
 144     LocalChange = performPromotion(F);
 145     if (!LocalChange) break;   // No need to re-scalarrepl if no promotion
 146   }
 147
 148   return Changed;
 149 }
 150
 151
 152 bool SROA::performPromotion(Function &F) {
 153   std::vector<AllocaInst*> Allocas;
 154   DominatorTree         &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
 155   DominanceFrontier &DF = getAnalysis<DominanceFrontier>();
 156
 157   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();  // Get the entry node for the function
 158
 159   bool Changed = false;
 160
 161   while (1) {
 162     Allocas.clear();
 163
 164     // Find allocas that are safe to promote, by looking at all instructions in
 165     // the entry node
 166     for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
 167       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))       // Is it an alloca?
 168         if (isAllocaPromotable(AI))
 169           Allocas.push_back(AI);
 170
 171     if (Allocas.empty()) break;
 172
 173     PromoteMemToReg(Allocas, DT, DF);
 174     NumPromoted += Allocas.size();
 175     Changed = true;
 176   }
 177
 178   return Changed;
 179 }
 180
 181 // performScalarRepl - This algorithm is a simple worklist driven algorithm,
 182 // which runs on all of the malloc/alloca instructions in the function, removing
 183 // them if they are only used by getelementptr instructions.
 184 //
 185 bool SROA::performScalarRepl(Function &F) {
 186   std::vector<AllocationInst*> WorkList;
 187
 188   // Scan the entry basic block, adding any alloca's and mallocs to the worklist
 189   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();
 190   for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
 191     if (AllocationInst *A = dyn_cast<AllocationInst>(I))
 192       WorkList.push_back(A);
 193
 194   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 195
 196   // Process the worklist
 197   bool Changed = false;
 198   while (!WorkList.empty()) {
 199     AllocationInst *AI = WorkList.back();
 200     WorkList.pop_back();
 201
 202     // Handle dead allocas trivially.  These can be formed by SROA'ing arrays
 203     // with unused elements.
 204     if (AI->use_empty()) {
 205       AI->eraseFromParent();
 206       continue;
 207     }
 208
 209     // If we can turn this aggregate value (potentially with casts) into a
 210     // simple scalar value that can be mem2reg'd into a register value.
 211     bool IsNotTrivial = false;
 212     if (const Type *ActualType = CanConvertToScalar(AI, IsNotTrivial))
 213       if (IsNotTrivial && ActualType != Type::VoidTy) {
 214         ConvertToScalar(AI, ActualType);
 215         Changed = true;
 216         continue;
 217       }
 218
 219     // Check to see if we can perform the core SROA transformation.  We cannot
 220     // transform the allocation instruction if it is an array allocation
 221     // (allocations OF arrays are ok though), and an allocation of a scalar
 222     // value cannot be decomposed at all.
 223     if (!AI->isArrayAllocation() &&
 224         (isa<StructType>(AI->getAllocatedType()) ||
 225          isa<ArrayType>(AI->getAllocatedType())) &&
 226         AI->getAllocatedType()->isSized() &&
 227         TD.getABITypeSize(AI->getAllocatedType()) < SRThreshold) {
 228       // Check that all of the users of the allocation are capable of being
 229       // transformed.
 230       switch (isSafeAllocaToScalarRepl(AI)) {
 231       default: assert(0 && "Unexpected value!");
 232       case 0:  // Not safe to scalar replace.
 233         break;
 234       case 1:  // Safe, but requires cleanup/canonicalizations first
 235         CanonicalizeAllocaUsers(AI);
 236         // FALL THROUGH.
 237       case 3:  // Safe to scalar replace.
 238         DoScalarReplacement(AI, WorkList);
 239         Changed = true;
 240         continue;
 241       }
 242     }
 243
 244     // Check to see if this allocation is only modified by a memcpy/memmove from
 245     // a constant global.  If this is the case, we can change all users to use
 246     // the constant global instead.  This is commonly produced by the CFE by
 247     // constructs like "void foo() { int A[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9...}; }" if 'A'
 248     // is only subsequently read.
 249     if (Instruction *TheCopy = isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI)) {
 250       DOUT << "Found alloca equal to global: " << *AI;
 251       DOUT << "  memcpy = " << *TheCopy;
 252       Constant *TheSrc = cast<Constant>(TheCopy->getOperand(2));
 253       AI->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(TheSrc, AI->getType()));
 254       TheCopy->eraseFromParent();  // Don't mutate the global.
 255       AI->eraseFromParent();
 256       ++NumGlobals;
 257       Changed = true;
 258       continue;
 259     }
 260
 261     // Otherwise, couldn't process this.
 262   }
 263
 264   return Changed;
 265 }
 266
 267 /// DoScalarReplacement - This alloca satisfied the isSafeAllocaToScalarRepl
 268 /// predicate, do SROA now.
 269 void SROA::DoScalarReplacement(AllocationInst *AI,
 270                                std::vector<AllocationInst*> &WorkList) {
 271   DOUT << "Found inst to SROA: " << *AI;
 272   SmallVector<AllocaInst*, 32> ElementAllocas;
 273   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
 274     ElementAllocas.reserve(ST->getNumContainedTypes());
 275     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumContainedTypes(); i != e; ++i) {
 276       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ST->getContainedType(i), 0,
 277                                       AI->getAlignment(),
 278                                       AI->getName() + "." + utostr(i), AI);
 279       ElementAllocas.push_back(NA);
 280       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
 281     }
 282   } else {
 283     const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType());
 284     ElementAllocas.reserve(AT->getNumElements());
 285     const Type *ElTy = AT->getElementType();
 286     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
 287       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ElTy, 0, AI->getAlignment(),
 288                                       AI->getName() + "." + utostr(i), AI);
 289       ElementAllocas.push_back(NA);
 290       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
 291     }
 292   }
 293
 294   // Now that we have created the alloca instructions that we want to use,
 295   // expand the getelementptr instructions to use them.
 296   //
 297   while (!AI->use_empty()) {
 298     Instruction *User = cast<Instruction>(AI->use_back());
 299     if (BitCastInst *BCInst = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
 300       RewriteBitCastUserOfAlloca(BCInst, AI, ElementAllocas);
 301       BCInst->eraseFromParent();
 302       continue;
 303     }
 304
 305     GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(User);
 306     // We now know that the GEP is of the form: GEP <ptr>, 0, <cst>
 307     unsigned Idx =
 308        (unsigned)cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue();
 309
 310     assert(Idx < ElementAllocas.size() && "Index out of range?");
 311     AllocaInst *AllocaToUse = ElementAllocas[Idx];
 312
 313     Value *RepValue;
 314     if (GEPI->getNumOperands() == 3) {
 315       // Do not insert a new getelementptr instruction with zero indices, only
 316       // to have it optimized out later.
 317       RepValue = AllocaToUse;
 318     } else {
 319       // We are indexing deeply into the structure, so we still need a
 320       // getelement ptr instruction to finish the indexing.  This may be
 321       // expanded itself once the worklist is rerun.
 322       //
 323       SmallVector<Value*, 8> NewArgs;
 324       NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(Type::Int32Ty));
 325       NewArgs.append(GEPI->op_begin()+3, GEPI->op_end());
 326       RepValue = GetElementPtrInst::Create(AllocaToUse, NewArgs.begin(),
 327                                            NewArgs.end(), "", GEPI);
 328       RepValue->takeName(GEPI);
 329     }
 330
 331     // If this GEP is to the start of the aggregate, check for memcpys.
 332     if (Idx == 0) {
 333       bool IsStartOfAggregateGEP = true;
 334       for (unsigned i = 3, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 335         if (!isa<ConstantInt>(GEPI->getOperand(i))) {
 336           IsStartOfAggregateGEP = false;
 337           break;
 338         }
 339         if (!cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(i))->isZero()) {
 340           IsStartOfAggregateGEP = false;
 341           break;
 342         }
 343       }
 344
 345       if (IsStartOfAggregateGEP)
 346         RewriteBitCastUserOfAlloca(GEPI, AI, ElementAllocas);
 347     }
 348
 349
 350     // Move all of the users over to the new GEP.
 351     GEPI->replaceAllUsesWith(RepValue);
 352     // Delete the old GEP
 353     GEPI->eraseFromParent();
 354   }
 355
 356   // Finally, delete the Alloca instruction
 357   AI->eraseFromParent();
 358   NumReplaced++;
 359 }
 360
 361
 362 /// isSafeElementUse - Check to see if this use is an allowed use for a
 363 /// getelementptr instruction of an array aggregate allocation.  isFirstElt
 364 /// indicates whether Ptr is known to the start of the aggregate.
 365 ///
 366 void SROA::isSafeElementUse(Value *Ptr, bool isFirstElt, AllocationInst *AI,
 367                             AllocaInfo &Info) {
 368   for (Value::use_iterator I = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
 369        I != E; ++I) {
 370     Instruction *User = cast<Instruction>(*I);
 371     switch (User->getOpcode()) {
 372     case Instruction::Load:  break;
 373     case Instruction::Store:
 374       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
 375       if (User->getOperand(0) == Ptr) return MarkUnsafe(Info);
 376       break;
 377     case Instruction::GetElementPtr: {
 378       GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(User);
 379       bool AreAllZeroIndices = isFirstElt;
 380       if (GEP->getNumOperands() > 1) {
 381         if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(1)) ||
 382             !cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->isZero())
 383           // Using pointer arithmetic to navigate the array.
 384           return MarkUnsafe(Info);
 385
 386         if (AreAllZeroIndices) {
 387           for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 388             if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)) ||
 389                 !cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))->isZero()) {
 390               AreAllZeroIndices = false;
 391               break;
 392             }
 393           }
 394         }
 395       }
 396       isSafeElementUse(GEP, AreAllZeroIndices, AI, Info);
 397       if (Info.isUnsafe) return;
 398       break;
 399     }
 400     case Instruction::BitCast:
 401       if (isFirstElt) {
 402         isSafeUseOfBitCastedAllocation(cast<BitCastInst>(User), AI, Info);
 403         if (Info.isUnsafe) return;
 404         break;
 405       }
 406       DOUT << "  Transformation preventing inst: " << *User;
 407       return MarkUnsafe(Info);
 408     case Instruction::Call:
 409       if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
 410         if (isFirstElt) {
 411           isSafeMemIntrinsicOnAllocation(MI, AI, I.getOperandNo(), Info);
 412           if (Info.isUnsafe) return;
 413           break;
 414         }
 415       }
 416       DOUT << "  Transformation preventing inst: " << *User;
 417       return MarkUnsafe(Info);
 418     default:
 419       DOUT << "  Transformation preventing inst: " << *User;
 420       return MarkUnsafe(Info);
 421     }
 422   }
 423   return;  // All users look ok :)
 424 }
 425
 426 /// AllUsersAreLoads - Return true if all users of this value are loads.
 427 static bool AllUsersAreLoads(Value *Ptr) {
 428   for (Value::use_iterator I = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
 429        I != E; ++I)
 430     if (cast<Instruction>(*I)->getOpcode() != Instruction::Load)
 431       return false;
 432   return true;
 433 }
 434
 435 /// isSafeUseOfAllocation - Check to see if this user is an allowed use for an
 436 /// aggregate allocation.
 437 ///
 438 void SROA::isSafeUseOfAllocation(Instruction *User, AllocationInst *AI,
 439                                  AllocaInfo &Info) {
 440   if (BitCastInst *C = dyn_cast<BitCastInst>(User))
 441     return isSafeUseOfBitCastedAllocation(C, AI, Info);
 442
 443   GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User);
 444   if (GEPI == 0)
 445     return MarkUnsafe(Info);
 446
 447   gep_type_iterator I = gep_type_begin(GEPI), E = gep_type_end(GEPI);
 448
 449   // The GEP is not safe to transform if not of the form "GEP <ptr>, 0, <cst>".
 450   if (I == E ||
 451       I.getOperand() != Constant::getNullValue(I.getOperand()->getType())) {
 452     return MarkUnsafe(Info);
 453   }
 454
 455   ++I;
 456   if (I == E) return MarkUnsafe(Info);  // ran out of GEP indices??
 457
 458   bool IsAllZeroIndices = true;
 459
 460   // If this is a use of an array allocation, do a bit more checking for sanity.
 461   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*I)) {
 462     uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
 463
 464     if (ConstantInt *Idx = dyn_cast<ConstantInt>(I.getOperand())) {
 465       IsAllZeroIndices &= Idx->isZero();
 466
 467       // Check to make sure that index falls within the array.  If not,
 468       // something funny is going on, so we won't do the optimization.
 469       //
 470       if (Idx->getZExtValue() >= NumElements)
 471         return MarkUnsafe(Info);
 472
 473       // We cannot scalar repl this level of the array unless any array
 474       // sub-indices are in-range constants.  In particular, consider:
 475       // A[0][i].  We cannot know that the user isn't doing invalid things like
 476       // allowing i to index an out-of-range subscript that accesses A[1].
 477       //
 478       // Scalar replacing *just* the outer index of the array is probably not
 479       // going to be a win anyway, so just give up.
 480       for (++I; I != E && (isa<ArrayType>(*I) || isa<VectorType>(*I)); ++I) {
 481         uint64_t NumElements;
 482         if (const ArrayType *SubArrayTy = dyn_cast<ArrayType>(*I))
 483           NumElements = SubArrayTy->getNumElements();
 484         else
 485           NumElements = cast<VectorType>(*I)->getNumElements();
 486
 487         ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(I.getOperand());
 488         if (!IdxVal) return MarkUnsafe(Info);
 489         if (IdxVal->getZExtValue() >= NumElements)
 490           return MarkUnsafe(Info);
 491         IsAllZeroIndices &= IdxVal->isZero();
 492       }
 493
 494     } else {
 495       IsAllZeroIndices = 0;
 496
 497       // If this is an array index and the index is not constant, we cannot
 498       // promote... that is unless the array has exactly one or two elements in
 499       // it, in which case we CAN promote it, but we have to canonicalize this
 500       // out if this is the only problem.
 501       if ((NumElements == 1 || NumElements == 2) &&
 502           AllUsersAreLoads(GEPI)) {
 503         Info.needsCanon = true;
 504         return;  // Canonicalization required!
 505       }
 506       return MarkUnsafe(Info);
 507     }
 508   }
 509
 510   // If there are any non-simple uses of this getelementptr, make sure to reject
 511   // them.
 512   return isSafeElementUse(GEPI, IsAllZeroIndices, AI, Info);
 513 }
 514
 515 /// isSafeMemIntrinsicOnAllocation - Return true if the specified memory
 516 /// intrinsic can be promoted by SROA.  At this point, we know that the operand
 517 /// of the memintrinsic is a pointer to the beginning of the allocation.
 518 void SROA::isSafeMemIntrinsicOnAllocation(MemIntrinsic *MI, AllocationInst *AI,
 519                                           unsigned OpNo, AllocaInfo &Info) {
 520   // If not constant length, give up.
 521   ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
 522   if (!Length) return MarkUnsafe(Info);
 523
 524   // If not the whole aggregate, give up.
 525   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 526   if (Length->getZExtValue() !=
 527       TD.getABITypeSize(AI->getType()->getElementType()))
 528     return MarkUnsafe(Info);
 529
 530   // We only know about memcpy/memset/memmove.
 531   if (!isa<MemCpyInst>(MI) && !isa<MemSetInst>(MI) && !isa<MemMoveInst>(MI))
 532     return MarkUnsafe(Info);
 533
 534   // Otherwise, we can transform it.  Determine whether this is a memcpy/set
 535   // into or out of the aggregate.
 536   if (OpNo == 1)
 537     Info.isMemCpyDst = true;
 538   else {
 539     assert(OpNo == 2);
 540     Info.isMemCpySrc = true;
 541   }
 542 }
 543
 544 /// isSafeUseOfBitCastedAllocation - Return true if all users of this bitcast
 545 /// are
 546 void SROA::isSafeUseOfBitCastedAllocation(BitCastInst *BC, AllocationInst *AI,
 547                                           AllocaInfo &Info) {
 548   for (Value::use_iterator UI = BC->use_begin(), E = BC->use_end();
 549        UI != E; ++UI) {
 550     if (BitCastInst *BCU = dyn_cast<BitCastInst>(UI)) {
 551       isSafeUseOfBitCastedAllocation(BCU, AI, Info);
 552     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(UI)) {
 553       isSafeMemIntrinsicOnAllocation(MI, AI, UI.getOperandNo(), Info);
 554     } else {
 555       return MarkUnsafe(Info);
 556     }
 557     if (Info.isUnsafe) return;
 558   }
 559 }
 560
 561 /// RewriteBitCastUserOfAlloca - BCInst (transitively) bitcasts AI, or indexes
 562 /// to its first element.  Transform users of the cast to use the new values
 563 /// instead.
 564 void SROA::RewriteBitCastUserOfAlloca(Instruction *BCInst, AllocationInst *AI,
 565                                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
 566   Constant *Zero = Constant::getNullValue(Type::Int32Ty);
 567   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 568
 569   Value::use_iterator UI = BCInst->use_begin(), UE = BCInst->use_end();
 570   while (UI != UE) {
 571     if (BitCastInst *BCU = dyn_cast<BitCastInst>(*UI)) {
 572       RewriteBitCastUserOfAlloca(BCU, AI, NewElts);
 573       ++UI;
 574       BCU->eraseFromParent();
 575       continue;
 576     }
 577
 578     // Otherwise, must be memcpy/memmove/memset of the entire aggregate.  Split
 579     // into one per element.
 580     MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(*UI);
 581
 582     // If it's not a mem intrinsic, it must be some other user of a gep of the
 583     // first pointer.  Just leave these alone.
 584     if (!MI) {
 585       ++UI;
 586       continue;
 587     }
 588
 589     // If this is a memcpy/memmove, construct the other pointer as the
 590     // appropriate type.
 591     Value *OtherPtr = 0;
 592     if (MemCpyInst *MCI = dyn_cast<MemCpyInst>(MI)) {
 593       if (BCInst == MCI->getRawDest())
 594         OtherPtr = MCI->getRawSource();
 595       else {
 596         assert(BCInst == MCI->getRawSource());
 597         OtherPtr = MCI->getRawDest();
 598       }
 599     } else if (MemMoveInst *MMI = dyn_cast<MemMoveInst>(MI)) {
 600       if (BCInst == MMI->getRawDest())
 601         OtherPtr = MMI->getRawSource();
 602       else {
 603         assert(BCInst == MMI->getRawSource());
 604         OtherPtr = MMI->getRawDest();
 605       }
 606     }
 607
 608     // If there is an other pointer, we want to convert it to the same pointer
 609     // type as AI has, so we can GEP through it.
 610     if (OtherPtr) {
 611       // It is likely that OtherPtr is a bitcast, if so, remove it.
 612       if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(OtherPtr))
 613         OtherPtr = BC->getOperand(0);
 614       if (ConstantExpr *BCE = dyn_cast<ConstantExpr>(OtherPtr))
 615         if (BCE->getOpcode() == Instruction::BitCast)
 616           OtherPtr = BCE->getOperand(0);
 617
 618       // If the pointer is not the right type, insert a bitcast to the right
 619       // type.
 620       if (OtherPtr->getType() != AI->getType())
 621         OtherPtr = new BitCastInst(OtherPtr, AI->getType(), OtherPtr->getName(),
 622                                    MI);
 623     }
 624
 625     // Process each element of the aggregate.
 626     Value *TheFn = MI->getOperand(0);
 627     const Type *BytePtrTy = MI->getRawDest()->getType();
 628     bool SROADest = MI->getRawDest() == BCInst;
 629
 630     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
 631       // If this is a memcpy/memmove, emit a GEP of the other element address.
 632       Value *OtherElt = 0;
 633       if (OtherPtr) {
 634         Value *Idx[2];
 635         Idx[0] = Zero;
 636         Idx[1] = ConstantInt::get(Type::Int32Ty, i);
 637         OtherElt = GetElementPtrInst::Create(OtherPtr, Idx, Idx + 2,
 638                                              OtherPtr->getNameStr()+"."+utostr(i),
 639                                              MI);
 640       }
 641
 642       Value *EltPtr = NewElts[i];
 643       const Type *EltTy =cast<PointerType>(EltPtr->getType())->getElementType();
 644
 645       // If we got down to a scalar, insert a load or store as appropriate.
 646       if (EltTy->isFirstClassType()) {
 647         if (isa<MemCpyInst>(MI) || isa<MemMoveInst>(MI)) {
 648           Value *Elt = new LoadInst(SROADest ? OtherElt : EltPtr, "tmp",
 649                                     MI);
 650           new StoreInst(Elt, SROADest ? EltPtr : OtherElt, MI);
 651           continue;
 652         } else {
 653           assert(isa<MemSetInst>(MI));
 654
 655           // If the stored element is zero (common case), just store a null
 656           // constant.
 657           Constant *StoreVal;
 658           if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getOperand(2))) {
 659             if (CI->isZero()) {
 660               StoreVal = Constant::getNullValue(EltTy);  // 0.0, null, 0, <0,0>
 661             } else {
 662               // If EltTy is a vector type, get the element type.
 663               const Type *ValTy = EltTy;
 664               if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(ValTy))
 665                 ValTy = VTy->getElementType();
 666
 667               // Construct an integer with the right value.
 668               unsigned EltSize = TD.getTypeSizeInBits(ValTy);
 669               APInt OneVal(EltSize, CI->getZExtValue());
 670               APInt TotalVal(OneVal);
 671               // Set each byte.
 672               for (unsigned i = 0; 8*i < EltSize; ++i) {
 673                 TotalVal = TotalVal.shl(8);
 674                 TotalVal |= OneVal;
 675               }
 676
 677               // Convert the integer value to the appropriate type.
 678               StoreVal = ConstantInt::get(TotalVal);
 679               if (isa<PointerType>(ValTy))
 680                 StoreVal = ConstantExpr::getIntToPtr(StoreVal, ValTy);
 681               else if (ValTy->isFloatingPoint())
 682                 StoreVal = ConstantExpr::getBitCast(StoreVal, ValTy);
 683               assert(StoreVal->getType() == ValTy && "Type mismatch!");
 684
 685               // If the requested value was a vector constant, create it.
 686               if (EltTy != ValTy) {
 687                 unsigned NumElts = cast<VectorType>(ValTy)->getNumElements();
 688                 SmallVector<Constant*, 16> Elts(NumElts, StoreVal);
 689                 StoreVal = ConstantVector::get(&Elts[0], NumElts);
 690               }
 691             }
 692             new StoreInst(StoreVal, EltPtr, MI);
 693             continue;
 694           }
 695           // Otherwise, if we're storing a byte variable, use a memset call for
 696           // this element.
 697         }
 698       }
 699
 700       // Cast the element pointer to BytePtrTy.
 701       if (EltPtr->getType() != BytePtrTy)
 702         EltPtr = new BitCastInst(EltPtr, BytePtrTy, EltPtr->getNameStr(), MI);
 703
 704       // Cast the other pointer (if we have one) to BytePtrTy.
 705       if (OtherElt && OtherElt->getType() != BytePtrTy)
 706         OtherElt = new BitCastInst(OtherElt, BytePtrTy,OtherElt->getNameStr(),
 707                                    MI);
 708
 709       unsigned EltSize = TD.getABITypeSize(EltTy);
 710
 711       // Finally, insert the meminst for this element.
 712       if (isa<MemCpyInst>(MI) || isa<MemMoveInst>(MI)) {
 713         Value *Ops[] = {
 714           SROADest ? EltPtr : OtherElt,  // Dest ptr
 715           SROADest ? OtherElt : EltPtr,  // Src ptr
 716           ConstantInt::get(MI->getOperand(3)->getType(), EltSize), // Size
 717           Zero  // Align
 718         };
 719         CallInst::Create(TheFn, Ops, Ops + 4, "", MI);
 720       } else {
 721         assert(isa<MemSetInst>(MI));
 722         Value *Ops[] = {
 723           EltPtr, MI->getOperand(2),  // Dest, Value,
 724           ConstantInt::get(MI->getOperand(3)->getType(), EltSize), // Size
 725           Zero  // Align
 726         };
 727         CallInst::Create(TheFn, Ops, Ops + 4, "", MI);
 728       }
 729     }
 730
 731     // Finally, MI is now dead, as we've modified its actions to occur on all of
 732     // the elements of the aggregate.
 733     ++UI;
 734     MI->eraseFromParent();
 735   }
 736 }
 737
 738 /// HasPadding - Return true if the specified type has any structure or
 739 /// alignment padding, false otherwise.
 740 static bool HasPadding(const Type *Ty, const TargetData &TD,
 741                        bool inPacked = false) {
 742   if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
 743     const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
 744     unsigned PrevFieldBitOffset = 0;
 745     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
 746       unsigned FieldBitOffset = SL->getElementOffsetInBits(i);
 747
 748       // Padding in sub-elements?
 749       if (HasPadding(STy->getElementType(i), TD, STy->isPacked()))
 750         return true;
 751
 752       // Check to see if there is any padding between this element and the
 753       // previous one.
 754       if (i) {
 755         unsigned PrevFieldEnd =
 756         PrevFieldBitOffset+TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(i-1));
 757         if (PrevFieldEnd < FieldBitOffset)
 758           return true;
 759       }
 760
 761       PrevFieldBitOffset = FieldBitOffset;
 762     }
 763
 764     //  Check for tail padding.
 765     if (unsigned EltCount = STy->getNumElements()) {
 766       unsigned PrevFieldEnd = PrevFieldBitOffset +
 767                    TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(EltCount-1));
 768       if (PrevFieldEnd < SL->getSizeInBits())
 769         return true;
 770     }
 771
 772   } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
 773     return HasPadding(ATy->getElementType(), TD, false);
 774   } else if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
 775     return HasPadding(VTy->getElementType(), TD, false);
 776   }
 777   return inPacked ?
 778     false : TD.getTypeSizeInBits(Ty) != TD.getABITypeSizeInBits(Ty);
 779 }
 780
 781 /// isSafeStructAllocaToScalarRepl - Check to see if the specified allocation of
 782 /// an aggregate can be broken down into elements.  Return 0 if not, 3 if safe,
 783 /// or 1 if safe after canonicalization has been performed.
 784 ///
 785 int SROA::isSafeAllocaToScalarRepl(AllocationInst *AI) {
 786   // Loop over the use list of the alloca.  We can only transform it if all of
 787   // the users are safe to transform.
 788   AllocaInfo Info;
 789
 790   for (Value::use_iterator I = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
 791        I != E; ++I) {
 792     isSafeUseOfAllocation(cast<Instruction>(*I), AI, Info);
 793     if (Info.isUnsafe) {
 794       DOUT << "Cannot transform: " << *AI << "  due to user: " << **I;
 795       return 0;
 796     }
 797   }
 798
 799   // Okay, we know all the users are promotable.  If the aggregate is a memcpy
 800   // source and destination, we have to be careful.  In particular, the memcpy
 801   // could be moving around elements that live in structure padding of the LLVM
 802   // types, but may actually be used.  In these cases, we refuse to promote the
 803   // struct.
 804   if (Info.isMemCpySrc && Info.isMemCpyDst &&
 805       HasPadding(AI->getType()->getElementType(), getAnalysis<TargetData>()))
 806     return 0;
 807
 808   // If we require cleanup, return 1, otherwise return 3.
 809   return Info.needsCanon ? 1 : 3;
 810 }
 811
 812 /// CanonicalizeAllocaUsers - If SROA reported that it can promote the specified
 813 /// allocation, but only if cleaned up, perform the cleanups required.
 814 void SROA::CanonicalizeAllocaUsers(AllocationInst *AI) {
 815   // At this point, we know that the end result will be SROA'd and promoted, so
 816   // we can insert ugly code if required so long as sroa+mem2reg will clean it
 817   // up.
 818   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
 819        UI != E; ) {
 820     GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI++);
 821     if (!GEPI) continue;
 822     gep_type_iterator I = gep_type_begin(GEPI);
 823     ++I;
 824
 825     if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*I)) {
 826       uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
 827
 828       if (!isa<ConstantInt>(I.getOperand())) {
 829         if (NumElements == 1) {
 830           GEPI->setOperand(2, Constant::getNullValue(Type::Int32Ty));
 831         } else {
 832           assert(NumElements == 2 && "Unhandled case!");
 833           // All users of the GEP must be loads.  At each use of the GEP, insert
 834           // two loads of the appropriate indexed GEP and select between them.
 835           Value *IsOne = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_NE, I.getOperand(),
 836                               Constant::getNullValue(I.getOperand()->getType()),
 837              "isone", GEPI);
 838           // Insert the new GEP instructions, which are properly indexed.
 839           SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin()+1, GEPI->op_end());
 840           Indices[1] = Constant::getNullValue(Type::Int32Ty);
 841           Value *ZeroIdx = GetElementPtrInst::Create(GEPI->getOperand(0),
 842                                                      Indices.begin(),
 843                                                      Indices.end(),
 844                                                      GEPI->getName()+".0", GEPI);
 845           Indices[1] = ConstantInt::get(Type::Int32Ty, 1);
 846           Value *OneIdx = GetElementPtrInst::Create(GEPI->getOperand(0),
 847                                                     Indices.begin(),
 848                                                     Indices.end(),
 849                                                     GEPI->getName()+".1", GEPI);
 850           // Replace all loads of the variable index GEP with loads from both
 851           // indexes and a select.
 852           while (!GEPI->use_empty()) {
 853             LoadInst *LI = cast<LoadInst>(GEPI->use_back());
 854             Value *Zero = new LoadInst(ZeroIdx, LI->getName()+".0", LI);
 855             Value *One  = new LoadInst(OneIdx , LI->getName()+".1", LI);
 856             Value *R = SelectInst::Create(IsOne, One, Zero, LI->getName(), LI);
 857             LI->replaceAllUsesWith(R);
 858             LI->eraseFromParent();
 859           }
 860           GEPI->eraseFromParent();
 861         }
 862       }
 863     }
 864   }
 865 }
 866
 867 /// MergeInType - Add the 'In' type to the accumulated type so far.  If the
 868 /// types are incompatible, return true, otherwise update Accum and return
 869 /// false.
 870 ///
 871 /// There are three cases we handle here:
 872 ///   1) An effectively-integer union, where the pieces are stored into as
 873 ///      smaller integers (common with byte swap and other idioms).
 874 ///   2) A union of vector types of the same size and potentially its elements.
 875 ///      Here we turn element accesses into insert/extract element operations.
 876 ///   3) A union of scalar types, such as int/float or int/pointer.  Here we
 877 ///      merge together into integers, allowing the xform to work with #1 as
 878 ///      well.
 879 static bool MergeInType(const Type *In, const Type *&Accum,
 880                         const TargetData &TD) {
 881   // If this is our first type, just use it.
 882   const VectorType *PTy;
 883   if (Accum == Type::VoidTy || In == Accum) {
 884     Accum = In;
 885   } else if (In == Type::VoidTy) {
 886     // Noop.
 887   } else if (In->isInteger() && Accum->isInteger()) {   // integer union.
 888     // Otherwise pick whichever type is larger.
 889     if (cast<IntegerType>(In)->getBitWidth() >
 890         cast<IntegerType>(Accum)->getBitWidth())
 891       Accum = In;
 892   } else if (isa<PointerType>(In) && isa<PointerType>(Accum)) {
 893     // Pointer unions just stay as one of the pointers.
 894   } else if (isa<VectorType>(In) || isa<VectorType>(Accum)) {
 895     if ((PTy = dyn_cast<VectorType>(Accum)) &&
 896         PTy->getElementType() == In) {
 897       // Accum is a vector, and we are accessing an element: ok.
 898     } else if ((PTy = dyn_cast<VectorType>(In)) &&
 899                PTy->getElementType() == Accum) {
 900       // In is a vector, and accum is an element: ok, remember In.
 901       Accum = In;
 902     } else if ((PTy = dyn_cast<VectorType>(In)) && isa<VectorType>(Accum) &&
 903                PTy->getBitWidth() == cast<VectorType>(Accum)->getBitWidth()) {
 904       // Two vectors of the same size: keep Accum.
 905     } else {
 906       // Cannot insert an short into a <4 x int> or handle
 907       // <2 x int> -> <4 x int>
 908       return true;
 909     }
 910   } else {
 911     // Pointer/FP/Integer unions merge together as integers.
 912     switch (Accum->getTypeID()) {
 913     case Type::PointerTyID: Accum = TD.getIntPtrType(); break;
 914     case Type::FloatTyID:   Accum = Type::Int32Ty; break;
 915     case Type::DoubleTyID:  Accum = Type::Int64Ty; break;
 916     case Type::X86_FP80TyID:  return true;
 917     case Type::FP128TyID: return true;
 918     case Type::PPC_FP128TyID: return true;
 919     default:
 920       assert(Accum->isInteger() && "Unknown FP type!");
 921       break;
 922     }
 923
 924     switch (In->getTypeID()) {
 925     case Type::PointerTyID: In = TD.getIntPtrType(); break;
 926     case Type::FloatTyID:   In = Type::Int32Ty; break;
 927     case Type::DoubleTyID:  In = Type::Int64Ty; break;
 928     case Type::X86_FP80TyID:  return true;
 929     case Type::FP128TyID: return true;
 930     case Type::PPC_FP128TyID: return true;
 931     default:
 932       assert(In->isInteger() && "Unknown FP type!");
 933       break;
 934     }
 935     return MergeInType(In, Accum, TD);
 936   }
 937   return false;
 938 }
 939
 940 /// getUIntAtLeastAsBigAs - Return an unsigned integer type that is at least
 941 /// as big as the specified type.  If there is no suitable type, this returns
 942 /// null.
 943 const Type *getUIntAtLeastAsBigAs(unsigned NumBits) {
 944   if (NumBits > 64) return 0;
 945   if (NumBits > 32) return Type::Int64Ty;
 946   if (NumBits > 16) return Type::Int32Ty;
 947   if (NumBits > 8) return Type::Int16Ty;
 948   return Type::Int8Ty;
 949 }
 950
 951 /// CanConvertToScalar - V is a pointer.  If we can convert the pointee to a
 952 /// single scalar integer type, return that type.  Further, if the use is not
 953 /// a completely trivial use that mem2reg could promote, set IsNotTrivial.  If
 954 /// there are no uses of this pointer, return Type::VoidTy to differentiate from
 955 /// failure.
 956 ///
 957 const Type *SROA::CanConvertToScalar(Value *V, bool &IsNotTrivial) {
 958   const Type *UsedType = Type::VoidTy; // No uses, no forced type.
 959   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 960   const PointerType *PTy = cast<PointerType>(V->getType());
 961
 962   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
 963     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
 964
 965     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
 966       if (MergeInType(LI->getType(), UsedType, TD))
 967         return 0;
 968
 969     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
 970       // Storing the pointer, not into the value?
 971       if (SI->getOperand(0) == V) return 0;
 972
 973       // NOTE: We could handle storing of FP imms into integers here!
 974
 975       if (MergeInType(SI->getOperand(0)->getType(), UsedType, TD))
 976         return 0;
 977     } else if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
 978       IsNotTrivial = true;
 979       const Type *SubTy = CanConvertToScalar(CI, IsNotTrivial);
 980       if (!SubTy || MergeInType(SubTy, UsedType, TD)) return 0;
 981     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
 982       // Check to see if this is stepping over an element: GEP Ptr, int C
 983       if (GEP->getNumOperands() == 2 && isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))) {
 984         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->getZExtValue();
 985         unsigned ElSize = TD.getABITypeSize(PTy->getElementType());
 986         unsigned BitOffset = Idx*ElSize*8;
 987         if (BitOffset > 64 || !isPowerOf2_32(ElSize)) return 0;
 988
 989         IsNotTrivial = true;
 990         const Type *SubElt = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
 991         if (SubElt == 0) return 0;
 992         if (SubElt != Type::VoidTy && SubElt->isInteger()) {
 993           const Type *NewTy =
 994             getUIntAtLeastAsBigAs(TD.getABITypeSizeInBits(SubElt)+BitOffset);
 995           if (NewTy == 0 || MergeInType(NewTy, UsedType, TD)) return 0;
 996           continue;
 997         }
 998       } else if (GEP->getNumOperands() == 3 &&
 999                  isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(1)) &&
1000                  isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(2)) &&
1001                  cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->isZero()) {
1002         // We are stepping into an element, e.g. a structure or an array:
1003         // GEP Ptr, int 0, uint C
1004         const Type *AggTy = PTy->getElementType();
1005         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
1006
1007         if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(AggTy)) {
1008           if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Out of range.
1009         } else if (const VectorType *VectorTy = dyn_cast<VectorType>(AggTy)) {
1010           // Getting an element of the vector.
1011           if (Idx >= VectorTy->getNumElements()) return 0;  // Out of range.
1012
1013           // Merge in the vector type.
1014           if (MergeInType(VectorTy, UsedType, TD)) return 0;
1015
1016           const Type *SubTy = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
1017           if (SubTy == 0) return 0;
1018
1019           if (SubTy != Type::VoidTy && MergeInType(SubTy, UsedType, TD))
1020             return 0;
1021
1022           // We'll need to change this to an insert/extract element operation.
1023           IsNotTrivial = true;
1024           continue;    // Everything looks ok
1025
1026         } else if (isa<StructType>(AggTy)) {
1027           // Structs are always ok.
1028         } else {
1029           return 0;
1030         }
1031         const Type *NTy = getUIntAtLeastAsBigAs(TD.getABITypeSizeInBits(AggTy));
1032         if (NTy == 0 || MergeInType(NTy, UsedType, TD)) return 0;
1033         const Type *SubTy = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
1034         if (SubTy == 0) return 0;
1035         if (SubTy != Type::VoidTy && MergeInType(SubTy, UsedType, TD))
1036           return 0;
1037         continue;    // Everything looks ok
1038       }
1039       return 0;
1040     } else {
1041       // Cannot handle this!
1042       return 0;
1043     }
1044   }
1045
1046   return UsedType;
1047 }
1048
1049 /// ConvertToScalar - The specified alloca passes the CanConvertToScalar
1050 /// predicate and is non-trivial.  Convert it to something that can be trivially
1051 /// promoted into a register by mem2reg.
1052 void SROA::ConvertToScalar(AllocationInst *AI, const Type *ActualTy) {
1053   DOUT << "CONVERT TO SCALAR: " << *AI << "  TYPE = "
1054        << *ActualTy << "\n";
1055   ++NumConverted;
1056
1057   BasicBlock *EntryBlock = AI->getParent();
1058   assert(EntryBlock == &EntryBlock->getParent()->getEntryBlock() &&
1059          "Not in the entry block!");
1060   EntryBlock->getInstList().remove(AI);  // Take the alloca out of the program.
1061
1062   // Create and insert the alloca.
1063   AllocaInst *NewAI = new AllocaInst(ActualTy, 0, AI->getName(),
1064                                      EntryBlock->begin());
1065   ConvertUsesToScalar(AI, NewAI, 0);
1066   delete AI;
1067 }
1068
1069
1070 /// ConvertUsesToScalar - Convert all of the users of Ptr to use the new alloca
1071 /// directly.  This happens when we are converting an "integer union" to a
1072 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
1073 /// vector with insert/extractelement instructions.
1074 ///
1075 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
1076 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
1077 void SROA::ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, unsigned Offset) {
1078   while (!Ptr->use_empty()) {
1079     Instruction *User = cast<Instruction>(Ptr->use_back());
1080
1081     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1082       Value *NV = ConvertUsesOfLoadToScalar(LI, NewAI, Offset);
1083       LI->replaceAllUsesWith(NV);
1084       LI->eraseFromParent();
1085     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1086       assert(SI->getOperand(0) != Ptr && "Consistency error!");
1087
1088       Value *SV = ConvertUsesOfStoreToScalar(SI, NewAI, Offset);
1089       new StoreInst(SV, NewAI, SI);
1090       SI->eraseFromParent();
1091
1092     } else if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1093       ConvertUsesToScalar(CI, NewAI, Offset);
1094       CI->eraseFromParent();
1095     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1096       const PointerType *AggPtrTy =
1097         cast<PointerType>(GEP->getOperand(0)->getType());
1098       const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
1099       unsigned AggSizeInBits =
1100         TD.getABITypeSizeInBits(AggPtrTy->getElementType());
1101
1102       // Check to see if this is stepping over an element: GEP Ptr, int C
1103       unsigned NewOffset = Offset;
1104       if (GEP->getNumOperands() == 2) {
1105         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->getZExtValue();
1106         unsigned BitOffset = Idx*AggSizeInBits;
1107
1108         NewOffset += BitOffset;
1109       } else if (GEP->getNumOperands() == 3) {
1110         // We know that operand #2 is zero.
1111         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
1112         const Type *AggTy = AggPtrTy->getElementType();
1113         if (const SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(AggTy)) {
1114           unsigned ElSizeBits =
1115             TD.getABITypeSizeInBits(SeqTy->getElementType());
1116
1117           NewOffset += ElSizeBits*Idx;
1118         } else if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AggTy)) {
1119           unsigned EltBitOffset =
1120             TD.getStructLayout(STy)->getElementOffsetInBits(Idx);
1121
1122           NewOffset += EltBitOffset;
1123         } else {
1124           assert(0 && "Unsupported operation!");
1125           abort();
1126         }
1127       } else {
1128         assert(0 && "Unsupported operation!");
1129         abort();
1130       }
1131       ConvertUsesToScalar(GEP, NewAI, NewOffset);
1132       GEP->eraseFromParent();
1133     } else {
1134       assert(0 && "Unsupported operation!");
1135       abort();
1136     }
1137   }
1138 }
1139
1140 /// ConvertUsesOfLoadToScalar - Convert all of the users the specified load to
1141 /// use the new alloca directly, returning the value that should replace the
1142 /// load.  This happens when we are converting an "integer union" to a
1143 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
1144 /// vector with insert/extractelement instructions.
1145 ///
1146 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
1147 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
1148 Value *SROA::ConvertUsesOfLoadToScalar(LoadInst *LI, AllocaInst *NewAI,
1149                                        unsigned Offset) {
1150   // The load is a bit extract from NewAI shifted right by Offset bits.
1151   Value *NV = new LoadInst(NewAI, LI->getName(), LI);
1152
1153   if (NV->getType() == LI->getType() && Offset == 0) {
1154     // We win, no conversion needed.
1155     return NV;
1156   }
1157
1158   // If the result type of the 'union' is a pointer, then this must be ptr->ptr
1159   // cast.  Anything else would result in NV being an integer.
1160   if (isa<PointerType>(NV->getType())) {
1161     assert(isa<PointerType>(LI->getType()));
1162     return new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
1163   }
1164
1165   if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(NV->getType())) {
1166     // If the result alloca is a vector type, this is either an element
1167     // access or a bitcast to another vector type.
1168     if (isa<VectorType>(LI->getType()))
1169       return new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
1170
1171     // Otherwise it must be an element access.
1172     const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
1173     unsigned Elt = 0;
1174     if (Offset) {
1175       unsigned EltSize = TD.getABITypeSizeInBits(VTy->getElementType());
1176       Elt = Offset/EltSize;
1177       Offset -= EltSize*Elt;
1178     }
1179     NV = new ExtractElementInst(NV, ConstantInt::get(Type::Int32Ty, Elt),
1180                                 "tmp", LI);
1181
1182     // If we're done, return this element.
1183     if (NV->getType() == LI->getType() && Offset == 0)
1184       return NV;
1185   }
1186
1187   const IntegerType *NTy = cast<IntegerType>(NV->getType());
1188
1189   // If this is a big-endian system and the load is narrower than the
1190   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
1191   int ShAmt = 0;
1192   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
1193   if (TD.isBigEndian()) {
1194     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
1195     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
1196     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
1197     ShAmt = TD.getTypeStoreSizeInBits(NTy) -
1198     TD.getTypeStoreSizeInBits(LI->getType()) - Offset;
1199   } else {
1200     ShAmt = Offset;
1201   }
1202
1203   // Note: we support negative bitwidths (with shl) which are not defined.
1204   // We do this to support (f.e.) loads off the end of a structure where
1205   // only some bits are used.
1206   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < NTy->getBitWidth())
1207     NV = BinaryOperator::createLShr(NV,
1208                                     ConstantInt::get(NV->getType(),ShAmt),
1209                                     LI->getName(), LI);
1210   else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < NTy->getBitWidth())
1211     NV = BinaryOperator::createShl(NV,
1212                                    ConstantInt::get(NV->getType(),-ShAmt),
1213                                    LI->getName(), LI);
1214
1215   // Finally, unconditionally truncate the integer to the right width.
1216   unsigned LIBitWidth = TD.getTypeSizeInBits(LI->getType());
1217   if (LIBitWidth < NTy->getBitWidth())
1218     NV = new TruncInst(NV, IntegerType::get(LIBitWidth),
1219                        LI->getName(), LI);
1220
1221   // If the result is an integer, this is a trunc or bitcast.
1222   if (isa<IntegerType>(LI->getType())) {
1223     // Should be done.
1224   } else if (LI->getType()->isFloatingPoint()) {
1225     // Just do a bitcast, we know the sizes match up.
1226     NV = new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
1227   } else {
1228     // Otherwise must be a pointer.
1229     NV = new IntToPtrInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
1230   }
1231   assert(NV->getType() == LI->getType() && "Didn't convert right?");
1232   return NV;
1233 }
1234
1235
1236 /// ConvertUsesOfStoreToScalar - Convert the specified store to a load+store
1237 /// pair of the new alloca directly, returning the value that should be stored
1238 /// to the alloca.  This happens when we are converting an "integer union" to a
1239 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
1240 /// vector with insert/extractelement instructions.
1241 ///
1242 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
1243 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
1244 Value *SROA::ConvertUsesOfStoreToScalar(StoreInst *SI, AllocaInst *NewAI,
1245                                         unsigned Offset) {
1246
1247   // Convert the stored type to the actual type, shift it left to insert
1248   // then 'or' into place.
1249   Value *SV = SI->getOperand(0);
1250   const Type *AllocaType = NewAI->getType()->getElementType();
1251   if (SV->getType() == AllocaType && Offset == 0) {
1252     // All is well.
1253   } else if (const VectorType *PTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaType)) {
1254     Value *Old = new LoadInst(NewAI, NewAI->getName()+".in", SI);
1255
1256     // If the result alloca is a vector type, this is either an element
1257     // access or a bitcast to another vector type.
1258     if (isa<VectorType>(SV->getType())) {
1259       SV = new BitCastInst(SV, AllocaType, SV->getName(), SI);
1260     } else {
1261       // Must be an element insertion.
1262       const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
1263       unsigned Elt = Offset/TD.getABITypeSizeInBits(PTy->getElementType());
1264       SV = InsertElementInst::Create(Old, SV,
1265                                      ConstantInt::get(Type::Int32Ty, Elt),
1266                                      "tmp", SI);
1267     }
1268   } else if (isa<PointerType>(AllocaType)) {
1269     // If the alloca type is a pointer, then all the elements must be
1270     // pointers.
1271     if (SV->getType() != AllocaType)
1272       SV = new BitCastInst(SV, AllocaType, SV->getName(), SI);
1273   } else {
1274     Value *Old = new LoadInst(NewAI, NewAI->getName()+".in", SI);
1275
1276     // If SV is a float, convert it to the appropriate integer type.
1277     // If it is a pointer, do the same, and also handle ptr->ptr casts
1278     // here.
1279     const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
1280     unsigned SrcWidth = TD.getTypeSizeInBits(SV->getType());
1281     unsigned DestWidth = TD.getTypeSizeInBits(AllocaType);
1282     unsigned SrcStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(SV->getType());
1283     unsigned DestStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(AllocaType);
1284     if (SV->getType()->isFloatingPoint())
1285       SV = new BitCastInst(SV, IntegerType::get(SrcWidth),
1286                            SV->getName(), SI);
1287     else if (isa<PointerType>(SV->getType()))
1288       SV = new PtrToIntInst(SV, TD.getIntPtrType(), SV->getName(), SI);
1289
1290     // Always zero extend the value if needed.
1291     if (SV->getType() != AllocaType)
1292       SV = new ZExtInst(SV, AllocaType, SV->getName(), SI);
1293
1294     // If this is a big-endian system and the store is narrower than the
1295     // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
1296     int ShAmt = 0;
1297     if (TD.isBigEndian()) {
1298       // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
1299       // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
1300       // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
1301       ShAmt = DestStoreWidth - SrcStoreWidth - Offset;
1302     } else {
1303       ShAmt = Offset;
1304     }
1305
1306     // Note: we support negative bitwidths (with shr) which are not defined.
1307     // We do this to support (f.e.) stores off the end of a structure where
1308     // only some bits in the structure are set.
1309     APInt Mask(APInt::getLowBitsSet(DestWidth, SrcWidth));
1310     if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < DestWidth) {
1311       SV = BinaryOperator::createShl(SV,
1312                                      ConstantInt::get(SV->getType(), ShAmt),
1313                                      SV->getName(), SI);
1314       Mask <<= ShAmt;
1315     } else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < DestWidth) {
1316       SV = BinaryOperator::createLShr(SV,
1317                                       ConstantInt::get(SV->getType(),-ShAmt),
1318                                       SV->getName(), SI);
1319       Mask = Mask.lshr(ShAmt);
1320     }
1321
1322     // Mask out the bits we are about to insert from the old value, and or
1323     // in the new bits.
1324     if (SrcWidth != DestWidth) {
1325       assert(DestWidth > SrcWidth);
1326       Old = BinaryOperator::createAnd(Old, ConstantInt::get(~Mask),
1327                                       Old->getName()+".mask", SI);
1328       SV = BinaryOperator::createOr(Old, SV, SV->getName()+".ins", SI);
1329     }
1330   }
1331   return SV;
1332 }
1333
1334
1335
1336 /// PointsToConstantGlobal - Return true if V (possibly indirectly) points to
1337 /// some part of a constant global variable.  This intentionally only accepts
1338 /// constant expressions because we don't can't rewrite arbitrary instructions.
1339 static bool PointsToConstantGlobal(Value *V) {
1340   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
1341     return GV->isConstant();
1342   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1343     if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast ||
1344         CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1345       return PointsToConstantGlobal(CE->getOperand(0));
1346   return false;
1347 }
1348
1349 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Recursively walk the uses of a (derived)
1350 /// pointer to an alloca.  Ignore any reads of the pointer, return false if we
1351 /// see any stores or other unknown uses.  If we see pointer arithmetic, keep
1352 /// track of whether it moves the pointer (with isOffset) but otherwise traverse
1353 /// the uses.  If we see a memcpy/memmove that targets an unoffseted pointer to
1354 /// the alloca, and if the source pointer is a pointer to a constant  global, we
1355 /// can optimize this.
1356 static bool isOnlyCopiedFromConstantGlobal(Value *V, Instruction *&TheCopy,
1357                                            bool isOffset) {
1358   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
1359     if (isa<LoadInst>(*UI)) {
1360       // Ignore loads, they are always ok.
1361       continue;
1362     }
1363     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(*UI)) {
1364       // If uses of the bitcast are ok, we are ok.
1365       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(BCI, TheCopy, isOffset))
1366         return false;
1367       continue;
1368     }
1369     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
1370       // If the GEP has all zero indices, it doesn't offset the pointer.  If it
1371       // doesn't, it does.
1372       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(GEP, TheCopy,
1373                                          isOffset || !GEP->hasAllZeroIndices()))
1374         return false;
1375       continue;
1376     }
1377
1378     // If this is isn't our memcpy/memmove, reject it as something we can't
1379     // handle.
1380     if (!isa<MemCpyInst>(*UI) && !isa<MemMoveInst>(*UI))
1381       return false;
1382
1383     // If we already have seen a copy, reject the second one.
1384     if (TheCopy) return false;
1385
1386     // If the pointer has been offset from the start of the alloca, we can't
1387     // safely handle this.
1388     if (isOffset) return false;
1389
1390     // If the memintrinsic isn't using the alloca as the dest, reject it.
1391     if (UI.getOperandNo() != 1) return false;
1392
1393     MemIntrinsic *MI = cast<MemIntrinsic>(*UI);
1394
1395     // If the source of the memcpy/move is not a constant global, reject it.
1396     if (!PointsToConstantGlobal(MI->getOperand(2)))
1397       return false;
1398
1399     // Otherwise, the transform is safe.  Remember the copy instruction.
1400     TheCopy = MI;
1401   }
1402   return true;
1403 }
1404
1405 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Return true if the specified alloca is only
1406 /// modified by a copy from a constant global.  If we can prove this, we can
1407 /// replace any uses of the alloca with uses of the global directly.
1408 Instruction *SROA::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocationInst *AI) {
1409   Instruction *TheCopy = 0;
1410   if (::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI, TheCopy, false))
1411     return TheCopy;
1412   return 0;
1413 }