Fix grammar.
[oota-llvm.git] / 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/LLVMContext.h"
31 #include "llvm/Module.h"
32 #include "llvm/Pass.h"
33 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
34 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
35 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
36 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
37 #include "llvm/Target/TargetData.h"
38 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
39 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
41 #include "llvm/Support/CallSite.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
44 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
45 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
46 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
48 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumReplaced,  "Number of allocas broken up");
54 STATISTIC(NumPromoted,  "Number of allocas promoted");
55 STATISTIC(NumAdjusted,  "Number of scalar allocas adjusted to allow promotion");
56 STATISTIC(NumConverted, "Number of aggregates converted to scalar");
57 STATISTIC(NumGlobals,   "Number of allocas copied from constant global");
58
59 namespace {
60   struct SROA : public FunctionPass {
61     SROA(int T, bool hasDT, char &ID)
62       : FunctionPass(ID), HasDomTree(hasDT) {
63       if (T == -1)
64         SRThreshold = 128;
65       else
66         SRThreshold = T;
67     }
68
69     bool runOnFunction(Function &F);
70
71     bool performScalarRepl(Function &F);
72     bool performPromotion(Function &F);
73
74   private:
75     bool HasDomTree;
76     TargetData *TD;
77
78     /// DeadInsts - Keep track of instructions we have made dead, so that
79     /// we can remove them after we are done working.
80     SmallVector<Value*, 32> DeadInsts;
81
82     /// AllocaInfo - When analyzing uses of an alloca instruction, this captures
83     /// information about the uses.  All these fields are initialized to false
84     /// and set to true when something is learned.
85     struct AllocaInfo {
86       /// The alloca to promote.
87       AllocaInst *AI;
88       
89       /// CheckedPHIs - This is a set of verified PHI nodes, to prevent infinite
90       /// looping and avoid redundant work.
91       SmallPtrSet<PHINode*, 8> CheckedPHIs;
92       
93       /// isUnsafe - This is set to true if the alloca cannot be SROA'd.
94       bool isUnsafe : 1;
95
96       /// isMemCpySrc - This is true if this aggregate is memcpy'd from.
97       bool isMemCpySrc : 1;
98
99       /// isMemCpyDst - This is true if this aggregate is memcpy'd into.
100       bool isMemCpyDst : 1;
101
102       /// hasSubelementAccess - This is true if a subelement of the alloca is
103       /// ever accessed, or false if the alloca is only accessed with mem
104       /// intrinsics or load/store that only access the entire alloca at once.
105       bool hasSubelementAccess : 1;
106       
107       /// hasALoadOrStore - This is true if there are any loads or stores to it.
108       /// The alloca may just be accessed with memcpy, for example, which would
109       /// not set this.
110       bool hasALoadOrStore : 1;
111       
112       explicit AllocaInfo(AllocaInst *ai)
113         : AI(ai), isUnsafe(false), isMemCpySrc(false), isMemCpyDst(false),
114           hasSubelementAccess(false), hasALoadOrStore(false) {}
115     };
116
117     unsigned SRThreshold;
118
119     void MarkUnsafe(AllocaInfo &I, Instruction *User) {
120       I.isUnsafe = true;
121       DEBUG(dbgs() << "  Transformation preventing inst: " << *User << '\n');
122     }
123
124     bool isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI);
125
126     void isSafeForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset, AllocaInfo &Info);
127     void isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *User, uint64_t Offset,
128                                          AllocaInfo &Info);
129     void isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI, uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info);
130     void isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
131                          const Type *MemOpType, bool isStore, AllocaInfo &Info,
132                          Instruction *TheAccess, bool AllowWholeAccess);
133     bool TypeHasComponent(const Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size);
134     uint64_t FindElementAndOffset(const Type *&T, uint64_t &Offset,
135                                   const Type *&IdxTy);
136
137     void DoScalarReplacement(AllocaInst *AI,
138                              std::vector<AllocaInst*> &WorkList);
139     void DeleteDeadInstructions();
140
141     void RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
142                               SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
143     void RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
144                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
145     void RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
146                     SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
147     void RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
148                                       AllocaInst *AI,
149                                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
150     void RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
151                                        SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
152     void RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
153                                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts);
154
155     static MemTransferInst *isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI);
156   };
157   
158   // SROA_DT - SROA that uses DominatorTree.
159   struct SROA_DT : public SROA {
160     static char ID;
161   public:
162     SROA_DT(int T = -1) : SROA(T, true, ID) {
163       initializeSROA_DTPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
164     }
165     
166     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
167     // will not alter the CFG, so say so.
168     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
169       AU.addRequired<DominatorTree>();
170       AU.setPreservesCFG();
171     }
172   };
173   
174   // SROA_SSAUp - SROA that uses SSAUpdater.
175   struct SROA_SSAUp : public SROA {
176     static char ID;
177   public:
178     SROA_SSAUp(int T = -1) : SROA(T, false, ID) {
179       initializeSROA_SSAUpPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
180     }
181     
182     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
183     // will not alter the CFG, so say so.
184     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
185       AU.setPreservesCFG();
186     }
187   };
188   
189 }
190
191 char SROA_DT::ID = 0;
192 char SROA_SSAUp::ID = 0;
193
194 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_DT, "scalarrepl",
195                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
196 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
197 INITIALIZE_PASS_END(SROA_DT, "scalarrepl",
198                 "Scalar Replacement of Aggregates (DT)", false, false)
199
200 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
201                       "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
202 INITIALIZE_PASS_END(SROA_SSAUp, "scalarrepl-ssa",
203                     "Scalar Replacement of Aggregates (SSAUp)", false, false)
204
205 // Public interface to the ScalarReplAggregates pass
206 FunctionPass *llvm::createScalarReplAggregatesPass(int Threshold,
207                                                    bool UseDomTree) {
208   if (UseDomTree)
209     return new SROA_DT(Threshold);
210   return new SROA_SSAUp(Threshold);
211 }
212
213
214 //===----------------------------------------------------------------------===//
215 // Convert To Scalar Optimization.
216 //===----------------------------------------------------------------------===//
217
218 namespace {
219 /// ConvertToScalarInfo - This class implements the "Convert To Scalar"
220 /// optimization, which scans the uses of an alloca and determines if it can
221 /// rewrite it in terms of a single new alloca that can be mem2reg'd.
222 class ConvertToScalarInfo {
223   /// AllocaSize - The size of the alloca being considered in bytes.
224   unsigned AllocaSize;
225   const TargetData &TD;
226
227   /// IsNotTrivial - This is set to true if there is some access to the object
228   /// which means that mem2reg can't promote it.
229   bool IsNotTrivial;
230
231   /// ScalarKind - Tracks the kind of alloca being considered for promotion,
232   /// computed based on the uses of the alloca rather than the LLVM type system.
233   enum {
234     Unknown,
235
236     // Accesses via GEPs that are consistent with element access of a vector
237     // type. This will not be converted into a vector unless there is a later
238     // access using an actual vector type.
239     ImplicitVector,
240
241     // Accesses via vector operations and GEPs that are consistent with the
242     // layout of a vector type.
243     Vector,
244
245     // An integer bag-of-bits with bitwise operations for insertion and
246     // extraction. Any combination of types can be converted into this kind
247     // of scalar.
248     Integer
249   } ScalarKind;
250
251   /// VectorTy - This tracks the type that we should promote the vector to if
252   /// it is possible to turn it into a vector.  This starts out null, and if it
253   /// isn't possible to turn into a vector type, it gets set to VoidTy.
254   const VectorType *VectorTy;
255
256   /// HadNonMemTransferAccess - True if there is at least one access to the 
257   /// alloca that is not a MemTransferInst.  We don't want to turn structs into
258   /// large integers unless there is some potential for optimization.
259   bool HadNonMemTransferAccess;
260
261 public:
262   explicit ConvertToScalarInfo(unsigned Size, const TargetData &td)
263     : AllocaSize(Size), TD(td), IsNotTrivial(false), ScalarKind(Unknown),
264       VectorTy(0), HadNonMemTransferAccess(false) { }
265
266   AllocaInst *TryConvert(AllocaInst *AI);
267
268 private:
269   bool CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset);
270   void MergeInTypeForLoadOrStore(const Type *In, uint64_t Offset);
271   bool MergeInVectorType(const VectorType *VInTy, uint64_t Offset);
272   void ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, uint64_t Offset);
273
274   Value *ConvertScalar_ExtractValue(Value *NV, const Type *ToType,
275                                     uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder);
276   Value *ConvertScalar_InsertValue(Value *StoredVal, Value *ExistingVal,
277                                    uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder);
278 };
279 } // end anonymous namespace.
280
281
282 /// TryConvert - Analyze the specified alloca, and if it is safe to do so,
283 /// rewrite it to be a new alloca which is mem2reg'able.  This returns the new
284 /// alloca if possible or null if not.
285 AllocaInst *ConvertToScalarInfo::TryConvert(AllocaInst *AI) {
286   // If we can't convert this scalar, or if mem2reg can trivially do it, bail
287   // out.
288   if (!CanConvertToScalar(AI, 0) || !IsNotTrivial)
289     return 0;
290
291   // If an alloca has only memset / memcpy uses, it may still have an Unknown
292   // ScalarKind. Treat it as an Integer below.
293   if (ScalarKind == Unknown)
294     ScalarKind = Integer;
295
296   // If we were able to find a vector type that can handle this with
297   // insert/extract elements, and if there was at least one use that had
298   // a vector type, promote this to a vector.  We don't want to promote
299   // random stuff that doesn't use vectors (e.g. <9 x double>) because then
300   // we just get a lot of insert/extracts.  If at least one vector is
301   // involved, then we probably really do have a union of vector/array.
302   const Type *NewTy;
303   if (VectorTy && ScalarKind != ImplicitVector) {
304     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO VECTOR: " << *AI << "\n  TYPE = "
305           << *VectorTy << '\n');
306     NewTy = VectorTy;  // Use the vector type.
307   } else {
308     unsigned BitWidth = AllocaSize * 8;
309     if ((ScalarKind == ImplicitVector || ScalarKind == Integer) &&
310         !HadNonMemTransferAccess && !TD.fitsInLegalInteger(BitWidth))
311       return 0;
312
313     DEBUG(dbgs() << "CONVERT TO SCALAR INTEGER: " << *AI << "\n");
314     // Create and insert the integer alloca.
315     NewTy = IntegerType::get(AI->getContext(), BitWidth);
316   }
317   AllocaInst *NewAI = new AllocaInst(NewTy, 0, "", AI->getParent()->begin());
318   ConvertUsesToScalar(AI, NewAI, 0);
319   return NewAI;
320 }
321
322 /// MergeInTypeForLoadOrStore - Add the 'In' type to the accumulated vector type
323 /// (VectorTy) so far at the offset specified by Offset (which is specified in
324 /// bytes).
325 ///
326 /// There are three cases we handle here:
327 ///   1) A union of vector types of the same size and potentially its elements.
328 ///      Here we turn element accesses into insert/extract element operations.
329 ///      This promotes a <4 x float> with a store of float to the third element
330 ///      into a <4 x float> that uses insert element.
331 ///   2) A union of vector types with power-of-2 size differences, e.g. a float,
332 ///      <2 x float> and <4 x float>.  Here we turn element accesses into insert
333 ///      and extract element operations, and <2 x float> accesses into a cast to
334 ///      <2 x double>, an extract, and a cast back to <2 x float>.
335 ///   3) A fully general blob of memory, which we turn into some (potentially
336 ///      large) integer type with extract and insert operations where the loads
337 ///      and stores would mutate the memory.  We mark this by setting VectorTy
338 ///      to VoidTy.
339 void ConvertToScalarInfo::MergeInTypeForLoadOrStore(const Type *In,
340                                                     uint64_t Offset) {
341   // If we already decided to turn this into a blob of integer memory, there is
342   // nothing to be done.
343   if (ScalarKind == Integer)
344     return;
345
346   // If this could be contributing to a vector, analyze it.
347
348   // If the In type is a vector that is the same size as the alloca, see if it
349   // matches the existing VecTy.
350   if (const VectorType *VInTy = dyn_cast<VectorType>(In)) {
351     if (MergeInVectorType(VInTy, Offset))
352       return;
353   } else if (In->isFloatTy() || In->isDoubleTy() ||
354              (In->isIntegerTy() && In->getPrimitiveSizeInBits() >= 8 &&
355               isPowerOf2_32(In->getPrimitiveSizeInBits()))) {
356     // Full width accesses can be ignored, because they can always be turned
357     // into bitcasts.
358     unsigned EltSize = In->getPrimitiveSizeInBits()/8;
359     if (EltSize == AllocaSize)
360       return;
361
362     // If we're accessing something that could be an element of a vector, see
363     // if the implied vector agrees with what we already have and if Offset is
364     // compatible with it.
365     if (Offset % EltSize == 0 && AllocaSize % EltSize == 0 &&
366         (!VectorTy || Offset * 8 < VectorTy->getPrimitiveSizeInBits())) {
367       if (!VectorTy) {
368         ScalarKind = ImplicitVector;
369         VectorTy = VectorType::get(In, AllocaSize/EltSize);
370         return;
371       }
372
373       unsigned CurrentEltSize = VectorTy->getElementType()
374                                 ->getPrimitiveSizeInBits()/8;
375       if (EltSize == CurrentEltSize)
376         return;
377
378       if (In->isIntegerTy() && isPowerOf2_32(AllocaSize / EltSize))
379         return;
380     }
381   }
382
383   // Otherwise, we have a case that we can't handle with an optimized vector
384   // form.  We can still turn this into a large integer.
385   ScalarKind = Integer;
386   VectorTy = 0;
387 }
388
389 /// MergeInVectorType - Handles the vector case of MergeInTypeForLoadOrStore,
390 /// returning true if the type was successfully merged and false otherwise.
391 bool ConvertToScalarInfo::MergeInVectorType(const VectorType *VInTy,
392                                             uint64_t Offset) {
393   // TODO: Support nonzero offsets?
394   if (Offset != 0)
395     return false;
396
397   // Only allow vectors that are a power-of-2 away from the size of the alloca.
398   if (!isPowerOf2_64(AllocaSize / (VInTy->getBitWidth() / 8)))
399     return false;
400
401   // If this the first vector we see, remember the type so that we know the
402   // element size.
403   if (!VectorTy) {
404     ScalarKind = Vector;
405     VectorTy = VInTy;
406     return true;
407   }
408
409   unsigned BitWidth = VectorTy->getBitWidth();
410   unsigned InBitWidth = VInTy->getBitWidth();
411
412   // Vectors of the same size can be converted using a simple bitcast.
413   if (InBitWidth == BitWidth && AllocaSize == (InBitWidth / 8)) {
414     ScalarKind = Vector;
415     return true;
416   }
417
418   const Type *ElementTy = VectorTy->getElementType();
419   const Type *InElementTy = VInTy->getElementType();
420
421   // Do not allow mixed integer and floating-point accesses from vectors of
422   // different sizes.
423   if (ElementTy->isFloatingPointTy() != InElementTy->isFloatingPointTy())
424     return false;
425
426   if (ElementTy->isFloatingPointTy()) {
427     // Only allow floating-point vectors of different sizes if they have the
428     // same element type.
429     // TODO: This could be loosened a bit, but would anything benefit?
430     if (ElementTy != InElementTy)
431       return false;
432
433     // There are no arbitrary-precision floating-point types, which limits the
434     // number of legal vector types with larger element types that we can form
435     // to bitcast and extract a subvector.
436     // TODO: We could support some more cases with mixed fp128 and double here.
437     if (!(BitWidth == 64 || BitWidth == 128) ||
438         !(InBitWidth == 64 || InBitWidth == 128))
439       return false;
440   } else {
441     assert(ElementTy->isIntegerTy() && "Vector elements must be either integer "
442                                        "or floating-point.");
443     unsigned BitWidth = ElementTy->getPrimitiveSizeInBits();
444     unsigned InBitWidth = InElementTy->getPrimitiveSizeInBits();
445
446     // Do not allow integer types smaller than a byte or types whose widths are
447     // not a multiple of a byte.
448     if (BitWidth < 8 || InBitWidth < 8 ||
449         BitWidth % 8 != 0 || InBitWidth % 8 != 0)
450       return false;
451   }
452
453   // Pick the largest of the two vector types.
454   ScalarKind = Vector;
455   if (InBitWidth > BitWidth)
456     VectorTy = VInTy;
457
458   return true;
459 }
460
461 /// CanConvertToScalar - V is a pointer.  If we can convert the pointee and all
462 /// its accesses to a single vector type, return true and set VecTy to
463 /// the new type.  If we could convert the alloca into a single promotable
464 /// integer, return true but set VecTy to VoidTy.  Further, if the use is not a
465 /// completely trivial use that mem2reg could promote, set IsNotTrivial.  Offset
466 /// is the current offset from the base of the alloca being analyzed.
467 ///
468 /// If we see at least one access to the value that is as a vector type, set the
469 /// SawVec flag.
470 bool ConvertToScalarInfo::CanConvertToScalar(Value *V, uint64_t Offset) {
471   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
472     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
473
474     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
475       // Don't break volatile loads.
476       if (LI->isVolatile())
477         return false;
478       // Don't touch MMX operations.
479       if (LI->getType()->isX86_MMXTy())
480         return false;
481       HadNonMemTransferAccess = true;
482       MergeInTypeForLoadOrStore(LI->getType(), Offset);
483       continue;
484     }
485
486     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
487       // Storing the pointer, not into the value?
488       if (SI->getOperand(0) == V || SI->isVolatile()) return false;
489       // Don't touch MMX operations.
490       if (SI->getOperand(0)->getType()->isX86_MMXTy())
491         return false;
492       HadNonMemTransferAccess = true;
493       MergeInTypeForLoadOrStore(SI->getOperand(0)->getType(), Offset);
494       continue;
495     }
496
497     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
498       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
499       if (!CanConvertToScalar(BCI, Offset))
500         return false;
501       continue;
502     }
503
504     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
505       // If this is a GEP with a variable indices, we can't handle it.
506       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
507         return false;
508
509       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
510       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
511       uint64_t GEPOffset = TD.getIndexedOffset(GEP->getPointerOperandType(),
512                                                &Indices[0], Indices.size());
513       // See if all uses can be converted.
514       if (!CanConvertToScalar(GEP, Offset+GEPOffset))
515         return false;
516       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
517       HadNonMemTransferAccess = true;
518       continue;
519     }
520
521     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
522     // handle it.
523     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(User)) {
524       // Store of constant value and constant size.
525       if (!isa<ConstantInt>(MSI->getValue()) ||
526           !isa<ConstantInt>(MSI->getLength()))
527         return false;
528       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
529       HadNonMemTransferAccess = true;
530       continue;
531     }
532
533     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
534     // can handle it like a load or store of the scalar type.
535     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(User)) {
536       ConstantInt *Len = dyn_cast<ConstantInt>(MTI->getLength());
537       if (Len == 0 || Len->getZExtValue() != AllocaSize || Offset != 0)
538         return false;
539
540       IsNotTrivial = true;  // Can't be mem2reg'd.
541       continue;
542     }
543
544     // Otherwise, we cannot handle this!
545     return false;
546   }
547
548   return true;
549 }
550
551 /// ConvertUsesToScalar - Convert all of the users of Ptr to use the new alloca
552 /// directly.  This happens when we are converting an "integer union" to a
553 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
554 /// vector with insert/extractelement instructions.
555 ///
556 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
557 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
558 void ConvertToScalarInfo::ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI,
559                                               uint64_t Offset) {
560   while (!Ptr->use_empty()) {
561     Instruction *User = cast<Instruction>(Ptr->use_back());
562
563     if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
564       ConvertUsesToScalar(CI, NewAI, Offset);
565       CI->eraseFromParent();
566       continue;
567     }
568
569     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
570       // Compute the offset that this GEP adds to the pointer.
571       SmallVector<Value*, 8> Indices(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
572       uint64_t GEPOffset = TD.getIndexedOffset(GEP->getPointerOperandType(),
573                                                &Indices[0], Indices.size());
574       ConvertUsesToScalar(GEP, NewAI, Offset+GEPOffset*8);
575       GEP->eraseFromParent();
576       continue;
577     }
578
579     IRBuilder<> Builder(User);
580
581     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
582       // The load is a bit extract from NewAI shifted right by Offset bits.
583       Value *LoadedVal = Builder.CreateLoad(NewAI, "tmp");
584       Value *NewLoadVal
585         = ConvertScalar_ExtractValue(LoadedVal, LI->getType(), Offset, Builder);
586       LI->replaceAllUsesWith(NewLoadVal);
587       LI->eraseFromParent();
588       continue;
589     }
590
591     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
592       assert(SI->getOperand(0) != Ptr && "Consistency error!");
593       Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
594       Value *New = ConvertScalar_InsertValue(SI->getOperand(0), Old, Offset,
595                                              Builder);
596       Builder.CreateStore(New, NewAI);
597       SI->eraseFromParent();
598
599       // If the load we just inserted is now dead, then the inserted store
600       // overwrote the entire thing.
601       if (Old->use_empty())
602         Old->eraseFromParent();
603       continue;
604     }
605
606     // If this is a constant sized memset of a constant value (e.g. 0) we can
607     // transform it into a store of the expanded constant value.
608     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(User)) {
609       assert(MSI->getRawDest() == Ptr && "Consistency error!");
610       unsigned NumBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
611       if (NumBytes != 0) {
612         unsigned Val = cast<ConstantInt>(MSI->getValue())->getZExtValue();
613
614         // Compute the value replicated the right number of times.
615         APInt APVal(NumBytes*8, Val);
616
617         // Splat the value if non-zero.
618         if (Val)
619           for (unsigned i = 1; i != NumBytes; ++i)
620             APVal |= APVal << 8;
621
622         Instruction *Old = Builder.CreateLoad(NewAI, NewAI->getName()+".in");
623         Value *New = ConvertScalar_InsertValue(
624                                     ConstantInt::get(User->getContext(), APVal),
625                                                Old, Offset, Builder);
626         Builder.CreateStore(New, NewAI);
627
628         // If the load we just inserted is now dead, then the memset overwrote
629         // the entire thing.
630         if (Old->use_empty())
631           Old->eraseFromParent();
632       }
633       MSI->eraseFromParent();
634       continue;
635     }
636
637     // If this is a memcpy or memmove into or out of the whole allocation, we
638     // can handle it like a load or store of the scalar type.
639     if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(User)) {
640       assert(Offset == 0 && "must be store to start of alloca");
641
642       // If the source and destination are both to the same alloca, then this is
643       // a noop copy-to-self, just delete it.  Otherwise, emit a load and store
644       // as appropriate.
645       AllocaInst *OrigAI = cast<AllocaInst>(GetUnderlyingObject(Ptr, &TD, 0));
646
647       if (GetUnderlyingObject(MTI->getSource(), &TD, 0) != OrigAI) {
648         // Dest must be OrigAI, change this to be a load from the original
649         // pointer (bitcasted), then a store to our new alloca.
650         assert(MTI->getRawDest() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
651         Value *SrcPtr = MTI->getSource();
652         const PointerType* SPTy = cast<PointerType>(SrcPtr->getType());
653         const PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
654         if (SPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
655           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
656                                    SPTy->getAddressSpace());
657         }
658         SrcPtr = Builder.CreateBitCast(SrcPtr, AIPTy);
659
660         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(SrcPtr, "srcval");
661         SrcVal->setAlignment(MTI->getAlignment());
662         Builder.CreateStore(SrcVal, NewAI);
663       } else if (GetUnderlyingObject(MTI->getDest(), &TD, 0) != OrigAI) {
664         // Src must be OrigAI, change this to be a load from NewAI then a store
665         // through the original dest pointer (bitcasted).
666         assert(MTI->getRawSource() == Ptr && "Neither use is of pointer?");
667         LoadInst *SrcVal = Builder.CreateLoad(NewAI, "srcval");
668
669         const PointerType* DPTy = cast<PointerType>(MTI->getDest()->getType());
670         const PointerType* AIPTy = cast<PointerType>(NewAI->getType());
671         if (DPTy->getAddressSpace() != AIPTy->getAddressSpace()) {
672           AIPTy = PointerType::get(AIPTy->getElementType(),
673                                    DPTy->getAddressSpace());
674         }
675         Value *DstPtr = Builder.CreateBitCast(MTI->getDest(), AIPTy);
676
677         StoreInst *NewStore = Builder.CreateStore(SrcVal, DstPtr);
678         NewStore->setAlignment(MTI->getAlignment());
679       } else {
680         // Noop transfer. Src == Dst
681       }
682
683       MTI->eraseFromParent();
684       continue;
685     }
686
687     llvm_unreachable("Unsupported operation!");
688   }
689 }
690
691 /// getScaledElementType - Gets a scaled element type for a partial vector
692 /// access of an alloca. The input types must be integer or floating-point
693 /// scalar or vector types, and the resulting type is an integer, float or
694 /// double.
695 static const Type *getScaledElementType(const Type *Ty1, const Type *Ty2,
696                                         unsigned NewBitWidth) {
697   bool IsFP1 = Ty1->isFloatingPointTy() ||
698                (Ty1->isVectorTy() &&
699                 cast<VectorType>(Ty1)->getElementType()->isFloatingPointTy());
700   bool IsFP2 = Ty2->isFloatingPointTy() ||
701                (Ty2->isVectorTy() &&
702                 cast<VectorType>(Ty2)->getElementType()->isFloatingPointTy());
703
704   LLVMContext &Context = Ty1->getContext();
705
706   // Prefer floating-point types over integer types, as integer types may have
707   // been created by earlier scalar replacement.
708   if (IsFP1 || IsFP2) {
709     if (NewBitWidth == 32)
710       return Type::getFloatTy(Context);
711     if (NewBitWidth == 64)
712       return Type::getDoubleTy(Context);
713   }
714
715   return Type::getIntNTy(Context, NewBitWidth);
716 }
717
718 /// CreateShuffleVectorCast - Creates a shuffle vector to convert one vector
719 /// to another vector of the same element type which has the same allocation
720 /// size but different primitive sizes (e.g. <3 x i32> and <4 x i32>).
721 static Value *CreateShuffleVectorCast(Value *FromVal, const Type *ToType,
722                                       IRBuilder<> &Builder) {
723   const Type *FromType = FromVal->getType();
724   const VectorType *FromVTy = cast<VectorType>(FromType);
725   const VectorType *ToVTy = cast<VectorType>(ToType);
726   assert((ToVTy->getElementType() == FromVTy->getElementType()) &&
727          "Vectors must have the same element type");
728    Value *UnV = UndefValue::get(FromType);
729    unsigned numEltsFrom = FromVTy->getNumElements();
730    unsigned numEltsTo = ToVTy->getNumElements();
731
732    SmallVector<Constant*, 3> Args;
733    const Type* Int32Ty = Builder.getInt32Ty();
734    unsigned minNumElts = std::min(numEltsFrom, numEltsTo);
735    unsigned i;
736    for (i=0; i != minNumElts; ++i)
737      Args.push_back(ConstantInt::get(Int32Ty, i));
738
739    if (i < numEltsTo) {
740      Constant* UnC = UndefValue::get(Int32Ty);
741      for (; i != numEltsTo; ++i)
742        Args.push_back(UnC);
743    }
744    Constant *Mask = ConstantVector::get(Args);
745    return Builder.CreateShuffleVector(FromVal, UnV, Mask, "tmpV");
746 }
747
748 /// ConvertScalar_ExtractValue - Extract a value of type ToType from an integer
749 /// or vector value FromVal, extracting the bits from the offset specified by
750 /// Offset.  This returns the value, which is of type ToType.
751 ///
752 /// This happens when we are converting an "integer union" to a single
753 /// integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a vector with
754 /// insert/extractelement instructions.
755 ///
756 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
757 /// shifted to the right.
758 Value *ConvertToScalarInfo::
759 ConvertScalar_ExtractValue(Value *FromVal, const Type *ToType,
760                            uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder) {
761   // If the load is of the whole new alloca, no conversion is needed.
762   const Type *FromType = FromVal->getType();
763   if (FromType == ToType && Offset == 0)
764     return FromVal;
765
766   // If the result alloca is a vector type, this is either an element
767   // access or a bitcast to another vector type of the same size.
768   if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(FromType)) {
769     unsigned FromTypeSize = TD.getTypeAllocSize(FromType);
770     unsigned ToTypeSize = TD.getTypeAllocSize(ToType);
771     if (FromTypeSize == ToTypeSize) {
772       // If the two types have the same primitive size, use a bit cast.
773       // Otherwise, it is two vectors with the same element type that has
774       // the same allocation size but different number of elements so use
775       // a shuffle vector.
776       if (FromType->getPrimitiveSizeInBits() ==
777           ToType->getPrimitiveSizeInBits())
778         return Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType, "tmp");
779       else
780         return CreateShuffleVectorCast(FromVal, ToType, Builder);
781     }
782
783     if (isPowerOf2_64(FromTypeSize / ToTypeSize)) {
784       assert(!(ToType->isVectorTy() && Offset != 0) && "Can't extract a value "
785              "of a smaller vector type at a nonzero offset.");
786
787       const Type *CastElementTy = getScaledElementType(FromType, ToType,
788                                                        ToTypeSize * 8);
789       unsigned NumCastVectorElements = FromTypeSize / ToTypeSize;
790
791       LLVMContext &Context = FromVal->getContext();
792       const Type *CastTy = VectorType::get(CastElementTy,
793                                            NumCastVectorElements);
794       Value *Cast = Builder.CreateBitCast(FromVal, CastTy, "tmp");
795
796       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(CastElementTy);
797       unsigned Elt = Offset/EltSize;
798       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
799       Value *Extract = Builder.CreateExtractElement(Cast, ConstantInt::get(
800                                         Type::getInt32Ty(Context), Elt), "tmp");
801       return Builder.CreateBitCast(Extract, ToType, "tmp");
802     }
803
804     // Otherwise it must be an element access.
805     unsigned Elt = 0;
806     if (Offset) {
807       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy->getElementType());
808       Elt = Offset/EltSize;
809       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
810     }
811     // Return the element extracted out of it.
812     Value *V = Builder.CreateExtractElement(FromVal, ConstantInt::get(
813                     Type::getInt32Ty(FromVal->getContext()), Elt), "tmp");
814     if (V->getType() != ToType)
815       V = Builder.CreateBitCast(V, ToType, "tmp");
816     return V;
817   }
818
819   // If ToType is a first class aggregate, extract out each of the pieces and
820   // use insertvalue's to form the FCA.
821   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(ToType)) {
822     const StructLayout &Layout = *TD.getStructLayout(ST);
823     Value *Res = UndefValue::get(ST);
824     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
825       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, ST->getElementType(i),
826                                         Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
827                                               Builder);
828       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i, "tmp");
829     }
830     return Res;
831   }
832
833   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(ToType)) {
834     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
835     Value *Res = UndefValue::get(AT);
836     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
837       Value *Elt = ConvertScalar_ExtractValue(FromVal, AT->getElementType(),
838                                               Offset+i*EltSize, Builder);
839       Res = Builder.CreateInsertValue(Res, Elt, i, "tmp");
840     }
841     return Res;
842   }
843
844   // Otherwise, this must be a union that was converted to an integer value.
845   const IntegerType *NTy = cast<IntegerType>(FromVal->getType());
846
847   // If this is a big-endian system and the load is narrower than the
848   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
849   int ShAmt = 0;
850   if (TD.isBigEndian()) {
851     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
852     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
853     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
854     ShAmt = TD.getTypeStoreSizeInBits(NTy) -
855             TD.getTypeStoreSizeInBits(ToType) - Offset;
856   } else {
857     ShAmt = Offset;
858   }
859
860   // Note: we support negative bitwidths (with shl) which are not defined.
861   // We do this to support (f.e.) loads off the end of a structure where
862   // only some bits are used.
863   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < NTy->getBitWidth())
864     FromVal = Builder.CreateLShr(FromVal,
865                                  ConstantInt::get(FromVal->getType(),
866                                                            ShAmt), "tmp");
867   else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < NTy->getBitWidth())
868     FromVal = Builder.CreateShl(FromVal,
869                                 ConstantInt::get(FromVal->getType(),
870                                                           -ShAmt), "tmp");
871
872   // Finally, unconditionally truncate the integer to the right width.
873   unsigned LIBitWidth = TD.getTypeSizeInBits(ToType);
874   if (LIBitWidth < NTy->getBitWidth())
875     FromVal =
876       Builder.CreateTrunc(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
877                                                     LIBitWidth), "tmp");
878   else if (LIBitWidth > NTy->getBitWidth())
879     FromVal =
880        Builder.CreateZExt(FromVal, IntegerType::get(FromVal->getContext(),
881                                                     LIBitWidth), "tmp");
882
883   // If the result is an integer, this is a trunc or bitcast.
884   if (ToType->isIntegerTy()) {
885     // Should be done.
886   } else if (ToType->isFloatingPointTy() || ToType->isVectorTy()) {
887     // Just do a bitcast, we know the sizes match up.
888     FromVal = Builder.CreateBitCast(FromVal, ToType, "tmp");
889   } else {
890     // Otherwise must be a pointer.
891     FromVal = Builder.CreateIntToPtr(FromVal, ToType, "tmp");
892   }
893   assert(FromVal->getType() == ToType && "Didn't convert right?");
894   return FromVal;
895 }
896
897 /// ConvertScalar_InsertValue - Insert the value "SV" into the existing integer
898 /// or vector value "Old" at the offset specified by Offset.
899 ///
900 /// This happens when we are converting an "integer union" to a
901 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
902 /// vector with insert/extractelement instructions.
903 ///
904 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
905 /// shifted to the right.
906 Value *ConvertToScalarInfo::
907 ConvertScalar_InsertValue(Value *SV, Value *Old,
908                           uint64_t Offset, IRBuilder<> &Builder) {
909   // Convert the stored type to the actual type, shift it left to insert
910   // then 'or' into place.
911   const Type *AllocaType = Old->getType();
912   LLVMContext &Context = Old->getContext();
913
914   if (const VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaType)) {
915     uint64_t VecSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy);
916     uint64_t ValSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(SV->getType());
917
918     // Changing the whole vector with memset or with an access of a different
919     // vector type?
920     if (ValSize == VecSize) {
921       // If the two types have the same primitive size, use a bit cast.
922       // Otherwise, it is two vectors with the same element type that has
923       // the same allocation size but different number of elements so use
924       // a shuffle vector.
925       if (VTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
926           SV->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
927         return Builder.CreateBitCast(SV, AllocaType, "tmp");
928       else
929         return CreateShuffleVectorCast(SV, VTy, Builder);
930     }
931
932     if (isPowerOf2_64(VecSize / ValSize)) {
933       assert(!(SV->getType()->isVectorTy() && Offset != 0) && "Can't insert a "
934              "value of a smaller vector type at a nonzero offset.");
935
936       const Type *CastElementTy = getScaledElementType(VTy, SV->getType(),
937                                                        ValSize);
938       unsigned NumCastVectorElements = VecSize / ValSize;
939
940       LLVMContext &Context = SV->getContext();
941       const Type *OldCastTy = VectorType::get(CastElementTy,
942                                               NumCastVectorElements);
943       Value *OldCast = Builder.CreateBitCast(Old, OldCastTy, "tmp");
944
945       Value *SVCast = Builder.CreateBitCast(SV, CastElementTy, "tmp");
946
947       unsigned EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(CastElementTy);
948       unsigned Elt = Offset/EltSize;
949       assert(EltSize*Elt == Offset && "Invalid modulus in validity checking");
950       Value *Insert =
951         Builder.CreateInsertElement(OldCast, SVCast, ConstantInt::get(
952                                         Type::getInt32Ty(Context), Elt), "tmp");
953       return Builder.CreateBitCast(Insert, AllocaType, "tmp");
954     }
955
956     // Must be an element insertion.
957     assert(SV->getType() == VTy->getElementType());
958     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(VTy->getElementType());
959     unsigned Elt = Offset/EltSize;
960     return Builder.CreateInsertElement(Old, SV,
961                      ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(SV->getContext()), Elt),
962                                      "tmp");
963   }
964
965   // If SV is a first-class aggregate value, insert each value recursively.
966   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(SV->getType())) {
967     const StructLayout &Layout = *TD.getStructLayout(ST);
968     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumElements(); i != e; ++i) {
969       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i, "tmp");
970       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old,
971                                       Offset+Layout.getElementOffsetInBits(i),
972                                       Builder);
973     }
974     return Old;
975   }
976
977   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(SV->getType())) {
978     uint64_t EltSize = TD.getTypeAllocSizeInBits(AT->getElementType());
979     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
980       Value *Elt = Builder.CreateExtractValue(SV, i, "tmp");
981       Old = ConvertScalar_InsertValue(Elt, Old, Offset+i*EltSize, Builder);
982     }
983     return Old;
984   }
985
986   // If SV is a float, convert it to the appropriate integer type.
987   // If it is a pointer, do the same.
988   unsigned SrcWidth = TD.getTypeSizeInBits(SV->getType());
989   unsigned DestWidth = TD.getTypeSizeInBits(AllocaType);
990   unsigned SrcStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(SV->getType());
991   unsigned DestStoreWidth = TD.getTypeStoreSizeInBits(AllocaType);
992   if (SV->getType()->isFloatingPointTy() || SV->getType()->isVectorTy())
993     SV = Builder.CreateBitCast(SV,
994                             IntegerType::get(SV->getContext(),SrcWidth), "tmp");
995   else if (SV->getType()->isPointerTy())
996     SV = Builder.CreatePtrToInt(SV, TD.getIntPtrType(SV->getContext()), "tmp");
997
998   // Zero extend or truncate the value if needed.
999   if (SV->getType() != AllocaType) {
1000     if (SV->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
1001              AllocaType->getPrimitiveSizeInBits())
1002       SV = Builder.CreateZExt(SV, AllocaType, "tmp");
1003     else {
1004       // Truncation may be needed if storing more than the alloca can hold
1005       // (undefined behavior).
1006       SV = Builder.CreateTrunc(SV, AllocaType, "tmp");
1007       SrcWidth = DestWidth;
1008       SrcStoreWidth = DestStoreWidth;
1009     }
1010   }
1011
1012   // If this is a big-endian system and the store is narrower than the
1013   // full alloca type, we need to do a shift to get the right bits.
1014   int ShAmt = 0;
1015   if (TD.isBigEndian()) {
1016     // On big-endian machines, the lowest bit is stored at the bit offset
1017     // from the pointer given by getTypeStoreSizeInBits.  This matters for
1018     // integers with a bitwidth that is not a multiple of 8.
1019     ShAmt = DestStoreWidth - SrcStoreWidth - Offset;
1020   } else {
1021     ShAmt = Offset;
1022   }
1023
1024   // Note: we support negative bitwidths (with shr) which are not defined.
1025   // We do this to support (f.e.) stores off the end of a structure where
1026   // only some bits in the structure are set.
1027   APInt Mask(APInt::getLowBitsSet(DestWidth, SrcWidth));
1028   if (ShAmt > 0 && (unsigned)ShAmt < DestWidth) {
1029     SV = Builder.CreateShl(SV, ConstantInt::get(SV->getType(),
1030                            ShAmt), "tmp");
1031     Mask <<= ShAmt;
1032   } else if (ShAmt < 0 && (unsigned)-ShAmt < DestWidth) {
1033     SV = Builder.CreateLShr(SV, ConstantInt::get(SV->getType(),
1034                             -ShAmt), "tmp");
1035     Mask = Mask.lshr(-ShAmt);
1036   }
1037
1038   // Mask out the bits we are about to insert from the old value, and or
1039   // in the new bits.
1040   if (SrcWidth != DestWidth) {
1041     assert(DestWidth > SrcWidth);
1042     Old = Builder.CreateAnd(Old, ConstantInt::get(Context, ~Mask), "mask");
1043     SV = Builder.CreateOr(Old, SV, "ins");
1044   }
1045   return SV;
1046 }
1047
1048
1049 //===----------------------------------------------------------------------===//
1050 // SRoA Driver
1051 //===----------------------------------------------------------------------===//
1052
1053
1054 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
1055   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1056
1057   bool Changed = performPromotion(F);
1058
1059   // FIXME: ScalarRepl currently depends on TargetData more than it
1060   // theoretically needs to. It should be refactored in order to support
1061   // target-independent IR. Until this is done, just skip the actual
1062   // scalar-replacement portion of this pass.
1063   if (!TD) return Changed;
1064
1065   while (1) {
1066     bool LocalChange = performScalarRepl(F);
1067     if (!LocalChange) break;   // No need to repromote if no scalarrepl
1068     Changed = true;
1069     LocalChange = performPromotion(F);
1070     if (!LocalChange) break;   // No need to re-scalarrepl if no promotion
1071   }
1072
1073   return Changed;
1074 }
1075
1076 namespace {
1077 class AllocaPromoter : public LoadAndStorePromoter {
1078   AllocaInst *AI;
1079 public:
1080   AllocaPromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
1081                  DbgDeclareInst *DD, DIBuilder *&DB)
1082     : LoadAndStorePromoter(Insts, S, DD, DB), AI(0) {}
1083   
1084   void run(AllocaInst *AI, const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) {
1085     // Remember which alloca we're promoting (for isInstInList).
1086     this->AI = AI;
1087     LoadAndStorePromoter::run(Insts);
1088     AI->eraseFromParent();
1089   }
1090   
1091   virtual bool isInstInList(Instruction *I,
1092                             const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const {
1093     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1094       return LI->getOperand(0) == AI;
1095     return cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand() == AI;
1096   }
1097 };
1098 } // end anon namespace
1099
1100 /// isSafeSelectToSpeculate - Select instructions that use an alloca and are
1101 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers and then
1102 /// select between the result, allowing the load of the alloca to be promoted.
1103 /// From this:
1104 ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
1105 ///   %V = load i32* %P2
1106 /// to:
1107 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1108 ///   %V2 = load i32* %Other
1109 ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
1110 ///
1111 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1112 /// the select can be loaded unconditionally.
1113 static bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst *SI, const TargetData *TD) {
1114   bool TDerefable = SI->getTrueValue()->isDereferenceablePointer();
1115   bool FDerefable = SI->getFalseValue()->isDereferenceablePointer();
1116   
1117   for (Value::use_iterator UI = SI->use_begin(), UE = SI->use_end();
1118        UI != UE; ++UI) {
1119     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
1120     if (LI == 0 || LI->isVolatile()) return false;
1121     
1122     // Both operands to the select need to be dereferencable, either absolutely
1123     // (e.g. allocas) or at this point because we can see other accesses to it.
1124     if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getTrueValue(), LI,
1125                                                     LI->getAlignment(), TD))
1126       return false;
1127     if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(SI->getFalseValue(), LI,
1128                                                     LI->getAlignment(), TD))
1129       return false;
1130   }
1131   
1132   return true;
1133 }
1134
1135 /// isSafePHIToSpeculate - PHI instructions that use an alloca and are
1136 /// subsequently loaded can be rewritten to load both input pointers in the pred
1137 /// blocks and then PHI the results, allowing the load of the alloca to be
1138 /// promoted.
1139 /// From this:
1140 ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
1141 ///   %V = load i32* %P2
1142 /// to:
1143 ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
1144 ///   ...
1145 ///   %V2 = load i32* %Other
1146 ///   ...
1147 ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
1148 ///
1149 /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand to
1150 /// the select can be loaded unconditionally.
1151 static bool isSafePHIToSpeculate(PHINode *PN, const TargetData *TD) {
1152   // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block as
1153   // the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
1154   // TODO: Allow recursive phi users.
1155   // TODO: Allow stores.
1156   BasicBlock *BB = PN->getParent();
1157   unsigned MaxAlign = 0;
1158   for (Value::use_iterator UI = PN->use_begin(), UE = PN->use_end();
1159        UI != UE; ++UI) {
1160     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
1161     if (LI == 0 || LI->isVolatile()) return false;
1162     
1163     // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is a
1164     // common case that happens when instcombine merges two loads through a PHI.
1165     if (LI->getParent() != BB) return false;
1166     
1167     // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
1168     // could store.
1169     for (BasicBlock::iterator BBI = PN; &*BBI != LI; ++BBI)
1170       if (BBI->mayWriteToMemory())
1171         return false;
1172     
1173     MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
1174   }
1175   
1176   // Okay, we know that we have one or more loads in the same block as the PHI.
1177   // We can transform this if it is safe to push the loads into the predecessor
1178   // blocks.  The only thing to watch out for is that we can't put a possibly
1179   // trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
1180   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1181     BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1182
1183     // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't critical.
1184     if (Pred->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1)
1185       continue;
1186     
1187     Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1188     
1189     // If the InVal is an invoke in the pred, we can't put a load on the edge.
1190     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InVal))
1191       if (II->getParent() == Pred)
1192         return false;
1193
1194     // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there is
1195     // already a load in the block, then we can move the load to the pred block.
1196     if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
1197         isSafeToLoadUnconditionally(InVal, Pred->getTerminator(), MaxAlign, TD))
1198       continue;
1199     
1200     return false;
1201   }
1202     
1203   return true;
1204 }
1205
1206
1207 /// tryToMakeAllocaBePromotable - This returns true if the alloca only has
1208 /// direct (non-volatile) loads and stores to it.  If the alloca is close but
1209 /// not quite there, this will transform the code to allow promotion.  As such,
1210 /// it is a non-pure predicate.
1211 static bool tryToMakeAllocaBePromotable(AllocaInst *AI, const TargetData *TD) {
1212   SetVector<Instruction*, SmallVector<Instruction*, 4>,
1213             SmallPtrSet<Instruction*, 4> > InstsToRewrite;
1214   
1215   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
1216        UI != UE; ++UI) {
1217     User *U = *UI;
1218     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1219       if (LI->isVolatile())
1220         return false;
1221       continue;
1222     }
1223     
1224     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1225       if (SI->getOperand(0) == AI || SI->isVolatile())
1226         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
1227       continue;
1228     }
1229
1230     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(U)) {
1231       // If the condition being selected on is a constant, fold the select, yes
1232       // this does (rarely) happen early on.
1233       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI->getCondition())) {
1234         Value *Result = SI->getOperand(1+CI->isZero());
1235         SI->replaceAllUsesWith(Result);
1236         SI->eraseFromParent();
1237         
1238         // This is very rare and we just scrambled the use list of AI, start
1239         // over completely.
1240         return tryToMakeAllocaBePromotable(AI, TD);
1241       }
1242
1243       // If it is safe to turn "load (select c, AI, ptr)" into a select of two
1244       // loads, then we can transform this by rewriting the select.
1245       if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, TD))
1246         return false;
1247       
1248       InstsToRewrite.insert(SI);
1249       continue;
1250     }
1251     
1252     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1253       if (PN->use_empty()) {  // Dead PHIs can be stripped.
1254         InstsToRewrite.insert(PN);
1255         continue;
1256       }
1257       
1258       // If it is safe to turn "load (phi [AI, ptr, ...])" into a PHI of loads
1259       // in the pred blocks, then we can transform this by rewriting the PHI.
1260       if (!isSafePHIToSpeculate(PN, TD))
1261         return false;
1262       
1263       InstsToRewrite.insert(PN);
1264       continue;
1265     }
1266     
1267     return false;
1268   }
1269
1270   // If there are no instructions to rewrite, then all uses are load/stores and
1271   // we're done!
1272   if (InstsToRewrite.empty())
1273     return true;
1274   
1275   // If we have instructions that need to be rewritten for this to be promotable
1276   // take care of it now.
1277   for (unsigned i = 0, e = InstsToRewrite.size(); i != e; ++i) {
1278     if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(InstsToRewrite[i])) {
1279       // Selects in InstsToRewrite only have load uses.  Rewrite each as two
1280       // loads with a new select.
1281       while (!SI->use_empty()) {
1282         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->use_back());
1283       
1284         IRBuilder<> Builder(LI);
1285         LoadInst *TrueLoad = 
1286           Builder.CreateLoad(SI->getTrueValue(), LI->getName()+".t");
1287         LoadInst *FalseLoad = 
1288           Builder.CreateLoad(SI->getFalseValue(), LI->getName()+".t");
1289         
1290         // Transfer alignment and TBAA info if present.
1291         TrueLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1292         FalseLoad->setAlignment(LI->getAlignment());
1293         if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
1294           TrueLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1295           FalseLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
1296         }
1297         
1298         Value *V = Builder.CreateSelect(SI->getCondition(), TrueLoad, FalseLoad);
1299         V->takeName(LI);
1300         LI->replaceAllUsesWith(V);
1301         LI->eraseFromParent();
1302       }
1303     
1304       // Now that all the loads are gone, the select is gone too.
1305       SI->eraseFromParent();
1306       continue;
1307     }
1308     
1309     // Otherwise, we have a PHI node which allows us to push the loads into the
1310     // predecessors.
1311     PHINode *PN = cast<PHINode>(InstsToRewrite[i]);
1312     if (PN->use_empty()) {
1313       PN->eraseFromParent();
1314       continue;
1315     }
1316     
1317     const Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN->getType())->getElementType();
1318     PHINode *NewPN = PHINode::Create(LoadTy, PN->getNumIncomingValues(),
1319                                      PN->getName()+".ld", PN);
1320
1321     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
1322     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
1323     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(PN->use_back());
1324     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
1325     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
1326     
1327     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
1328     while (!PN->use_empty()) {
1329       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(PN->use_back());
1330       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
1331       LI->eraseFromParent();
1332     }
1333     
1334     // Inject loads into all of the pred blocks.  Keep track of which blocks we
1335     // insert them into in case we have multiple edges from the same block.
1336     DenseMap<BasicBlock*, LoadInst*> InsertedLoads;
1337     
1338     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1339       BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
1340       LoadInst *&Load = InsertedLoads[Pred];
1341       if (Load == 0) {
1342         Load = new LoadInst(PN->getIncomingValue(i),
1343                             PN->getName() + "." + Pred->getName(),
1344                             Pred->getTerminator());
1345         Load->setAlignment(Align);
1346         if (TBAATag) Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
1347       }
1348       
1349       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
1350     }
1351     
1352     PN->eraseFromParent();
1353   }
1354     
1355   ++NumAdjusted;
1356   return true;
1357 }
1358
1359 bool SROA::performPromotion(Function &F) {
1360   std::vector<AllocaInst*> Allocas;
1361   DominatorTree *DT = 0;
1362   if (HasDomTree)
1363     DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1364
1365   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();  // Get the entry node for the function
1366
1367   bool Changed = false;
1368   SmallVector<Instruction*, 64> Insts;
1369   DIBuilder *DIB = 0;
1370   while (1) {
1371     Allocas.clear();
1372
1373     // Find allocas that are safe to promote, by looking at all instructions in
1374     // the entry node
1375     for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
1376       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))       // Is it an alloca?
1377         if (tryToMakeAllocaBePromotable(AI, TD))
1378           Allocas.push_back(AI);
1379
1380     if (Allocas.empty()) break;
1381
1382     if (HasDomTree)
1383       PromoteMemToReg(Allocas, *DT);
1384     else {
1385       SSAUpdater SSA;
1386       for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
1387         AllocaInst *AI = Allocas[i];
1388         
1389         // Build list of instructions to promote.
1390         for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
1391              UI != E; ++UI)
1392           Insts.push_back(cast<Instruction>(*UI));
1393
1394         DbgDeclareInst *DDI = FindAllocaDbgDeclare(AI);
1395         if (DDI && !DIB)
1396           DIB = new DIBuilder(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
1397         AllocaPromoter(Insts, SSA, DDI, DIB).run(AI, Insts);
1398         Insts.clear();
1399       }
1400     }
1401     NumPromoted += Allocas.size();
1402     Changed = true;
1403   }
1404
1405   // FIXME: Is there a better way to handle the lazy initialization of DIB
1406   // so that there doesn't need to be an explicit delete?
1407   delete DIB;
1408
1409   return Changed;
1410 }
1411
1412
1413 /// ShouldAttemptScalarRepl - Decide if an alloca is a good candidate for
1414 /// SROA.  It must be a struct or array type with a small number of elements.
1415 static bool ShouldAttemptScalarRepl(AllocaInst *AI) {
1416   const Type *T = AI->getAllocatedType();
1417   // Do not promote any struct into more than 32 separate vars.
1418   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T))
1419     return ST->getNumElements() <= 32;
1420   // Arrays are much less likely to be safe for SROA; only consider
1421   // them if they are very small.
1422   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T))
1423     return AT->getNumElements() <= 8;
1424   return false;
1425 }
1426
1427
1428 // performScalarRepl - This algorithm is a simple worklist driven algorithm,
1429 // which runs on all of the malloc/alloca instructions in the function, removing
1430 // them if they are only used by getelementptr instructions.
1431 //
1432 bool SROA::performScalarRepl(Function &F) {
1433   std::vector<AllocaInst*> WorkList;
1434
1435   // Scan the entry basic block, adding allocas to the worklist.
1436   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();
1437   for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
1438     if (AllocaInst *A = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1439       WorkList.push_back(A);
1440
1441   // Process the worklist
1442   bool Changed = false;
1443   while (!WorkList.empty()) {
1444     AllocaInst *AI = WorkList.back();
1445     WorkList.pop_back();
1446
1447     // Handle dead allocas trivially.  These can be formed by SROA'ing arrays
1448     // with unused elements.
1449     if (AI->use_empty()) {
1450       AI->eraseFromParent();
1451       Changed = true;
1452       continue;
1453     }
1454
1455     // If this alloca is impossible for us to promote, reject it early.
1456     if (AI->isArrayAllocation() || !AI->getAllocatedType()->isSized())
1457       continue;
1458
1459     // Check to see if this allocation is only modified by a memcpy/memmove from
1460     // a constant global.  If this is the case, we can change all users to use
1461     // the constant global instead.  This is commonly produced by the CFE by
1462     // constructs like "void foo() { int A[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9...}; }" if 'A'
1463     // is only subsequently read.
1464     if (MemTransferInst *TheCopy = isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI)) {
1465       DEBUG(dbgs() << "Found alloca equal to global: " << *AI << '\n');
1466       DEBUG(dbgs() << "  memcpy = " << *TheCopy << '\n');
1467       Constant *TheSrc = cast<Constant>(TheCopy->getSource());
1468       AI->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(TheSrc, AI->getType()));
1469       TheCopy->eraseFromParent();  // Don't mutate the global.
1470       AI->eraseFromParent();
1471       ++NumGlobals;
1472       Changed = true;
1473       continue;
1474     }
1475
1476     // Check to see if we can perform the core SROA transformation.  We cannot
1477     // transform the allocation instruction if it is an array allocation
1478     // (allocations OF arrays are ok though), and an allocation of a scalar
1479     // value cannot be decomposed at all.
1480     uint64_t AllocaSize = TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType());
1481
1482     // Do not promote [0 x %struct].
1483     if (AllocaSize == 0) continue;
1484
1485     // Do not promote any struct whose size is too big.
1486     if (AllocaSize > SRThreshold) continue;
1487
1488     // If the alloca looks like a good candidate for scalar replacement, and if
1489     // all its users can be transformed, then split up the aggregate into its
1490     // separate elements.
1491     if (ShouldAttemptScalarRepl(AI) && isSafeAllocaToScalarRepl(AI)) {
1492       DoScalarReplacement(AI, WorkList);
1493       Changed = true;
1494       continue;
1495     }
1496
1497     // If we can turn this aggregate value (potentially with casts) into a
1498     // simple scalar value that can be mem2reg'd into a register value.
1499     // IsNotTrivial tracks whether this is something that mem2reg could have
1500     // promoted itself.  If so, we don't want to transform it needlessly.  Note
1501     // that we can't just check based on the type: the alloca may be of an i32
1502     // but that has pointer arithmetic to set byte 3 of it or something.
1503     if (AllocaInst *NewAI =
1504           ConvertToScalarInfo((unsigned)AllocaSize, *TD).TryConvert(AI)) {
1505       NewAI->takeName(AI);
1506       AI->eraseFromParent();
1507       ++NumConverted;
1508       Changed = true;
1509       continue;
1510     }
1511
1512     // Otherwise, couldn't process this alloca.
1513   }
1514
1515   return Changed;
1516 }
1517
1518 /// DoScalarReplacement - This alloca satisfied the isSafeAllocaToScalarRepl
1519 /// predicate, do SROA now.
1520 void SROA::DoScalarReplacement(AllocaInst *AI,
1521                                std::vector<AllocaInst*> &WorkList) {
1522   DEBUG(dbgs() << "Found inst to SROA: " << *AI << '\n');
1523   SmallVector<AllocaInst*, 32> ElementAllocas;
1524   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
1525     ElementAllocas.reserve(ST->getNumContainedTypes());
1526     for (unsigned i = 0, e = ST->getNumContainedTypes(); i != e; ++i) {
1527       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ST->getContainedType(i), 0,
1528                                       AI->getAlignment(),
1529                                       AI->getName() + "." + Twine(i), AI);
1530       ElementAllocas.push_back(NA);
1531       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
1532     }
1533   } else {
1534     const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType());
1535     ElementAllocas.reserve(AT->getNumElements());
1536     const Type *ElTy = AT->getElementType();
1537     for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
1538       AllocaInst *NA = new AllocaInst(ElTy, 0, AI->getAlignment(),
1539                                       AI->getName() + "." + Twine(i), AI);
1540       ElementAllocas.push_back(NA);
1541       WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
1542     }
1543   }
1544
1545   // Now that we have created the new alloca instructions, rewrite all the
1546   // uses of the old alloca.
1547   RewriteForScalarRepl(AI, AI, 0, ElementAllocas);
1548
1549   // Now erase any instructions that were made dead while rewriting the alloca.
1550   DeleteDeadInstructions();
1551   AI->eraseFromParent();
1552
1553   ++NumReplaced;
1554 }
1555
1556 /// DeleteDeadInstructions - Erase instructions on the DeadInstrs list,
1557 /// recursively including all their operands that become trivially dead.
1558 void SROA::DeleteDeadInstructions() {
1559   while (!DeadInsts.empty()) {
1560     Instruction *I = cast<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val());
1561
1562     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
1563       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
1564         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
1565         // (But, don't add allocas to the dead instruction list -- they are
1566         // already on the worklist and will be deleted separately.)
1567         *OI = 0;
1568         if (isInstructionTriviallyDead(U) && !isa<AllocaInst>(U))
1569           DeadInsts.push_back(U);
1570       }
1571
1572     I->eraseFromParent();
1573   }
1574 }
1575
1576 /// isSafeForScalarRepl - Check if instruction I is a safe use with regard to
1577 /// performing scalar replacement of alloca AI.  The results are flagged in
1578 /// the Info parameter.  Offset indicates the position within AI that is
1579 /// referenced by this instruction.
1580 void SROA::isSafeForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset,
1581                                AllocaInfo &Info) {
1582   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E; ++UI) {
1583     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
1584
1585     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1586       isSafeForScalarRepl(BC, Offset, Info);
1587     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1588       uint64_t GEPOffset = Offset;
1589       isSafeGEP(GEPI, GEPOffset, Info);
1590       if (!Info.isUnsafe)
1591         isSafeForScalarRepl(GEPI, GEPOffset, Info);
1592     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
1593       ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
1594       if (Length == 0)
1595         return MarkUnsafe(Info, User);
1596       isSafeMemAccess(Offset, Length->getZExtValue(), 0,
1597                       UI.getOperandNo() == 0, Info, MI,
1598                       true /*AllowWholeAccess*/);
1599     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1600       if (LI->isVolatile())
1601         return MarkUnsafe(Info, User);
1602       const Type *LIType = LI->getType();
1603       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(LIType),
1604                       LIType, false, Info, LI, true /*AllowWholeAccess*/);
1605       Info.hasALoadOrStore = true;
1606         
1607     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1608       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1609       if (SI->isVolatile() || SI->getOperand(0) == I)
1610         return MarkUnsafe(Info, User);
1611         
1612       const Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1613       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(SIType),
1614                       SIType, true, Info, SI, true /*AllowWholeAccess*/);
1615       Info.hasALoadOrStore = true;
1616     } else if (isa<PHINode>(User) || isa<SelectInst>(User)) {
1617       isSafePHISelectUseForScalarRepl(User, Offset, Info);
1618     } else {
1619       return MarkUnsafe(Info, User);
1620     }
1621     if (Info.isUnsafe) return;
1622   }
1623 }
1624  
1625
1626 /// isSafePHIUseForScalarRepl - If we see a PHI node or select using a pointer
1627 /// derived from the alloca, we can often still split the alloca into elements.
1628 /// This is useful if we have a large alloca where one element is phi'd
1629 /// together somewhere: we can SRoA and promote all the other elements even if
1630 /// we end up not being able to promote this one.
1631 ///
1632 /// All we require is that the uses of the PHI do not index into other parts of
1633 /// the alloca.  The most important use case for this is single load and stores
1634 /// that are PHI'd together, which can happen due to code sinking.
1635 void SROA::isSafePHISelectUseForScalarRepl(Instruction *I, uint64_t Offset,
1636                                            AllocaInfo &Info) {
1637   // If we've already checked this PHI, don't do it again.
1638   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1639     if (!Info.CheckedPHIs.insert(PN))
1640       return;
1641   
1642   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E; ++UI) {
1643     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
1644     
1645     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1646       isSafePHISelectUseForScalarRepl(BC, Offset, Info);
1647     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1648       // Only allow "bitcast" GEPs for simplicity.  We could generalize this,
1649       // but would have to prove that we're staying inside of an element being
1650       // promoted.
1651       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
1652         return MarkUnsafe(Info, User);
1653       isSafePHISelectUseForScalarRepl(GEPI, Offset, Info);
1654     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1655       if (LI->isVolatile())
1656         return MarkUnsafe(Info, User);
1657       const Type *LIType = LI->getType();
1658       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(LIType),
1659                       LIType, false, Info, LI, false /*AllowWholeAccess*/);
1660       Info.hasALoadOrStore = true;
1661       
1662     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1663       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
1664       if (SI->isVolatile() || SI->getOperand(0) == I)
1665         return MarkUnsafe(Info, User);
1666       
1667       const Type *SIType = SI->getOperand(0)->getType();
1668       isSafeMemAccess(Offset, TD->getTypeAllocSize(SIType),
1669                       SIType, true, Info, SI, false /*AllowWholeAccess*/);
1670       Info.hasALoadOrStore = true;
1671     } else if (isa<PHINode>(User) || isa<SelectInst>(User)) {
1672       isSafePHISelectUseForScalarRepl(User, Offset, Info);
1673     } else {
1674       return MarkUnsafe(Info, User);
1675     }
1676     if (Info.isUnsafe) return;
1677   }
1678 }
1679
1680 /// isSafeGEP - Check if a GEP instruction can be handled for scalar
1681 /// replacement.  It is safe when all the indices are constant, in-bounds
1682 /// references, and when the resulting offset corresponds to an element within
1683 /// the alloca type.  The results are flagged in the Info parameter.  Upon
1684 /// return, Offset is adjusted as specified by the GEP indices.
1685 void SROA::isSafeGEP(GetElementPtrInst *GEPI,
1686                      uint64_t &Offset, AllocaInfo &Info) {
1687   gep_type_iterator GEPIt = gep_type_begin(GEPI), E = gep_type_end(GEPI);
1688   if (GEPIt == E)
1689     return;
1690
1691   // Walk through the GEP type indices, checking the types that this indexes
1692   // into.
1693   for (; GEPIt != E; ++GEPIt) {
1694     // Ignore struct elements, no extra checking needed for these.
1695     if ((*GEPIt)->isStructTy())
1696       continue;
1697
1698     ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPIt.getOperand());
1699     if (!IdxVal)
1700       return MarkUnsafe(Info, GEPI);
1701   }
1702
1703   // Compute the offset due to this GEP and check if the alloca has a
1704   // component element at that offset.
1705   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
1706   Offset += TD->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(),
1707                                  &Indices[0], Indices.size());
1708   if (!TypeHasComponent(Info.AI->getAllocatedType(), Offset, 0))
1709     MarkUnsafe(Info, GEPI);
1710 }
1711
1712 /// isHomogeneousAggregate - Check if type T is a struct or array containing
1713 /// elements of the same type (which is always true for arrays).  If so,
1714 /// return true with NumElts and EltTy set to the number of elements and the
1715 /// element type, respectively.
1716 static bool isHomogeneousAggregate(const Type *T, unsigned &NumElts,
1717                                    const Type *&EltTy) {
1718   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1719     NumElts = AT->getNumElements();
1720     EltTy = (NumElts == 0 ? 0 : AT->getElementType());
1721     return true;
1722   }
1723   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1724     NumElts = ST->getNumContainedTypes();
1725     EltTy = (NumElts == 0 ? 0 : ST->getContainedType(0));
1726     for (unsigned n = 1; n < NumElts; ++n) {
1727       if (ST->getContainedType(n) != EltTy)
1728         return false;
1729     }
1730     return true;
1731   }
1732   return false;
1733 }
1734
1735 /// isCompatibleAggregate - Check if T1 and T2 are either the same type or are
1736 /// "homogeneous" aggregates with the same element type and number of elements.
1737 static bool isCompatibleAggregate(const Type *T1, const Type *T2) {
1738   if (T1 == T2)
1739     return true;
1740
1741   unsigned NumElts1, NumElts2;
1742   const Type *EltTy1, *EltTy2;
1743   if (isHomogeneousAggregate(T1, NumElts1, EltTy1) &&
1744       isHomogeneousAggregate(T2, NumElts2, EltTy2) &&
1745       NumElts1 == NumElts2 &&
1746       EltTy1 == EltTy2)
1747     return true;
1748
1749   return false;
1750 }
1751
1752 /// isSafeMemAccess - Check if a load/store/memcpy operates on the entire AI
1753 /// alloca or has an offset and size that corresponds to a component element
1754 /// within it.  The offset checked here may have been formed from a GEP with a
1755 /// pointer bitcasted to a different type.
1756 ///
1757 /// If AllowWholeAccess is true, then this allows uses of the entire alloca as a
1758 /// unit.  If false, it only allows accesses known to be in a single element.
1759 void SROA::isSafeMemAccess(uint64_t Offset, uint64_t MemSize,
1760                            const Type *MemOpType, bool isStore,
1761                            AllocaInfo &Info, Instruction *TheAccess,
1762                            bool AllowWholeAccess) {
1763   // Check if this is a load/store of the entire alloca.
1764   if (Offset == 0 && AllowWholeAccess &&
1765       MemSize == TD->getTypeAllocSize(Info.AI->getAllocatedType())) {
1766     // This can be safe for MemIntrinsics (where MemOpType is 0) and integer
1767     // loads/stores (which are essentially the same as the MemIntrinsics with
1768     // regard to copying padding between elements).  But, if an alloca is
1769     // flagged as both a source and destination of such operations, we'll need
1770     // to check later for padding between elements.
1771     if (!MemOpType || MemOpType->isIntegerTy()) {
1772       if (isStore)
1773         Info.isMemCpyDst = true;
1774       else
1775         Info.isMemCpySrc = true;
1776       return;
1777     }
1778     // This is also safe for references using a type that is compatible with
1779     // the type of the alloca, so that loads/stores can be rewritten using
1780     // insertvalue/extractvalue.
1781     if (isCompatibleAggregate(MemOpType, Info.AI->getAllocatedType())) {
1782       Info.hasSubelementAccess = true;
1783       return;
1784     }
1785   }
1786   // Check if the offset/size correspond to a component within the alloca type.
1787   const Type *T = Info.AI->getAllocatedType();
1788   if (TypeHasComponent(T, Offset, MemSize)) {
1789     Info.hasSubelementAccess = true;
1790     return;
1791   }
1792
1793   return MarkUnsafe(Info, TheAccess);
1794 }
1795
1796 /// TypeHasComponent - Return true if T has a component type with the
1797 /// specified offset and size.  If Size is zero, do not check the size.
1798 bool SROA::TypeHasComponent(const Type *T, uint64_t Offset, uint64_t Size) {
1799   const Type *EltTy;
1800   uint64_t EltSize;
1801   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1802     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(ST);
1803     unsigned EltIdx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
1804     EltTy = ST->getContainedType(EltIdx);
1805     EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
1806     Offset -= Layout->getElementOffset(EltIdx);
1807   } else if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(T)) {
1808     EltTy = AT->getElementType();
1809     EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
1810     if (Offset >= AT->getNumElements() * EltSize)
1811       return false;
1812     Offset %= EltSize;
1813   } else {
1814     return false;
1815   }
1816   if (Offset == 0 && (Size == 0 || EltSize == Size))
1817     return true;
1818   // Check if the component spans multiple elements.
1819   if (Offset + Size > EltSize)
1820     return false;
1821   return TypeHasComponent(EltTy, Offset, Size);
1822 }
1823
1824 /// RewriteForScalarRepl - Alloca AI is being split into NewElts, so rewrite
1825 /// the instruction I, which references it, to use the separate elements.
1826 /// Offset indicates the position within AI that is referenced by this
1827 /// instruction.
1828 void SROA::RewriteForScalarRepl(Instruction *I, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1829                                 SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1830   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI!=E;) {
1831     Use &TheUse = UI.getUse();
1832     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1833
1834     if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
1835       RewriteBitCast(BC, AI, Offset, NewElts);
1836       continue;
1837     }
1838     
1839     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
1840       RewriteGEP(GEPI, AI, Offset, NewElts);
1841       continue;
1842     }
1843     
1844     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(User)) {
1845       ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getLength());
1846       uint64_t MemSize = Length->getZExtValue();
1847       if (Offset == 0 &&
1848           MemSize == TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType()))
1849         RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MI, I, AI, NewElts);
1850       // Otherwise the intrinsic can only touch a single element and the
1851       // address operand will be updated, so nothing else needs to be done.
1852       continue;
1853     }
1854     
1855     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1856       const Type *LIType = LI->getType();
1857       
1858       if (isCompatibleAggregate(LIType, AI->getAllocatedType())) {
1859         // Replace:
1860         //   %res = load { i32, i32 }* %alloc
1861         // with:
1862         //   %load.0 = load i32* %alloc.0
1863         //   %insert.0 insertvalue { i32, i32 } zeroinitializer, i32 %load.0, 0
1864         //   %load.1 = load i32* %alloc.1
1865         //   %insert = insertvalue { i32, i32 } %insert.0, i32 %load.1, 1
1866         // (Also works for arrays instead of structs)
1867         Value *Insert = UndefValue::get(LIType);
1868         IRBuilder<> Builder(LI);
1869         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1870           Value *Load = Builder.CreateLoad(NewElts[i], "load");
1871           Insert = Builder.CreateInsertValue(Insert, Load, i, "insert");
1872         }
1873         LI->replaceAllUsesWith(Insert);
1874         DeadInsts.push_back(LI);
1875       } else if (LIType->isIntegerTy() &&
1876                  TD->getTypeAllocSize(LIType) ==
1877                  TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1878         // If this is a load of the entire alloca to an integer, rewrite it.
1879         RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LI, AI, NewElts);
1880       }
1881       continue;
1882     }
1883     
1884     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
1885       Value *Val = SI->getOperand(0);
1886       const Type *SIType = Val->getType();
1887       if (isCompatibleAggregate(SIType, AI->getAllocatedType())) {
1888         // Replace:
1889         //   store { i32, i32 } %val, { i32, i32 }* %alloc
1890         // with:
1891         //   %val.0 = extractvalue { i32, i32 } %val, 0
1892         //   store i32 %val.0, i32* %alloc.0
1893         //   %val.1 = extractvalue { i32, i32 } %val, 1
1894         //   store i32 %val.1, i32* %alloc.1
1895         // (Also works for arrays instead of structs)
1896         IRBuilder<> Builder(SI);
1897         for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
1898           Value *Extract = Builder.CreateExtractValue(Val, i, Val->getName());
1899           Builder.CreateStore(Extract, NewElts[i]);
1900         }
1901         DeadInsts.push_back(SI);
1902       } else if (SIType->isIntegerTy() &&
1903                  TD->getTypeAllocSize(SIType) ==
1904                  TD->getTypeAllocSize(AI->getAllocatedType())) {
1905         // If this is a store of the entire alloca from an integer, rewrite it.
1906         RewriteStoreUserOfWholeAlloca(SI, AI, NewElts);
1907       }
1908       continue;
1909     }
1910     
1911     if (isa<SelectInst>(User) || isa<PHINode>(User)) {
1912       // If we have a PHI user of the alloca itself (as opposed to a GEP or 
1913       // bitcast) we have to rewrite it.  GEP and bitcast uses will be RAUW'd to
1914       // the new pointer.
1915       if (!isa<AllocaInst>(I)) continue;
1916       
1917       assert(Offset == 0 && NewElts[0] &&
1918              "Direct alloca use should have a zero offset");
1919       
1920       // If we have a use of the alloca, we know the derived uses will be
1921       // utilizing just the first element of the scalarized result.  Insert a
1922       // bitcast of the first alloca before the user as required.
1923       AllocaInst *NewAI = NewElts[0];
1924       BitCastInst *BCI = new BitCastInst(NewAI, AI->getType(), "", NewAI);
1925       NewAI->moveBefore(BCI);
1926       TheUse = BCI;
1927       continue;
1928     }
1929   }
1930 }
1931
1932 /// RewriteBitCast - Update a bitcast reference to the alloca being replaced
1933 /// and recursively continue updating all of its uses.
1934 void SROA::RewriteBitCast(BitCastInst *BC, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1935                           SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1936   RewriteForScalarRepl(BC, AI, Offset, NewElts);
1937   if (BC->getOperand(0) != AI)
1938     return;
1939
1940   // The bitcast references the original alloca.  Replace its uses with
1941   // references to the first new element alloca.
1942   Instruction *Val = NewElts[0];
1943   if (Val->getType() != BC->getDestTy()) {
1944     Val = new BitCastInst(Val, BC->getDestTy(), "", BC);
1945     Val->takeName(BC);
1946   }
1947   BC->replaceAllUsesWith(Val);
1948   DeadInsts.push_back(BC);
1949 }
1950
1951 /// FindElementAndOffset - Return the index of the element containing Offset
1952 /// within the specified type, which must be either a struct or an array.
1953 /// Sets T to the type of the element and Offset to the offset within that
1954 /// element.  IdxTy is set to the type of the index result to be used in a
1955 /// GEP instruction.
1956 uint64_t SROA::FindElementAndOffset(const Type *&T, uint64_t &Offset,
1957                                     const Type *&IdxTy) {
1958   uint64_t Idx = 0;
1959   if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(T)) {
1960     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(ST);
1961     Idx = Layout->getElementContainingOffset(Offset);
1962     T = ST->getContainedType(Idx);
1963     Offset -= Layout->getElementOffset(Idx);
1964     IdxTy = Type::getInt32Ty(T->getContext());
1965     return Idx;
1966   }
1967   const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(T);
1968   T = AT->getElementType();
1969   uint64_t EltSize = TD->getTypeAllocSize(T);
1970   Idx = Offset / EltSize;
1971   Offset -= Idx * EltSize;
1972   IdxTy = Type::getInt64Ty(T->getContext());
1973   return Idx;
1974 }
1975
1976 /// RewriteGEP - Check if this GEP instruction moves the pointer across
1977 /// elements of the alloca that are being split apart, and if so, rewrite
1978 /// the GEP to be relative to the new element.
1979 void SROA::RewriteGEP(GetElementPtrInst *GEPI, AllocaInst *AI, uint64_t Offset,
1980                       SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
1981   uint64_t OldOffset = Offset;
1982   SmallVector<Value*, 8> Indices(GEPI->op_begin() + 1, GEPI->op_end());
1983   Offset += TD->getIndexedOffset(GEPI->getPointerOperandType(),
1984                                  &Indices[0], Indices.size());
1985
1986   RewriteForScalarRepl(GEPI, AI, Offset, NewElts);
1987
1988   const Type *T = AI->getAllocatedType();
1989   const Type *IdxTy;
1990   uint64_t OldIdx = FindElementAndOffset(T, OldOffset, IdxTy);
1991   if (GEPI->getOperand(0) == AI)
1992     OldIdx = ~0ULL; // Force the GEP to be rewritten.
1993
1994   T = AI->getAllocatedType();
1995   uint64_t EltOffset = Offset;
1996   uint64_t Idx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
1997
1998   // If this GEP does not move the pointer across elements of the alloca
1999   // being split, then it does not needs to be rewritten.
2000   if (Idx == OldIdx)
2001     return;
2002
2003   const Type *i32Ty = Type::getInt32Ty(AI->getContext());
2004   SmallVector<Value*, 8> NewArgs;
2005   NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(i32Ty));
2006   while (EltOffset != 0) {
2007     uint64_t EltIdx = FindElementAndOffset(T, EltOffset, IdxTy);
2008     NewArgs.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, EltIdx));
2009   }
2010   Instruction *Val = NewElts[Idx];
2011   if (NewArgs.size() > 1) {
2012     Val = GetElementPtrInst::CreateInBounds(Val, NewArgs.begin(),
2013                                             NewArgs.end(), "", GEPI);
2014     Val->takeName(GEPI);
2015   }
2016   if (Val->getType() != GEPI->getType())
2017     Val = new BitCastInst(Val, GEPI->getType(), Val->getName(), GEPI);
2018   GEPI->replaceAllUsesWith(Val);
2019   DeadInsts.push_back(GEPI);
2020 }
2021
2022 /// RewriteMemIntrinUserOfAlloca - MI is a memcpy/memset/memmove from or to AI.
2023 /// Rewrite it to copy or set the elements of the scalarized memory.
2024 void SROA::RewriteMemIntrinUserOfAlloca(MemIntrinsic *MI, Instruction *Inst,
2025                                         AllocaInst *AI,
2026                                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
2027   // If this is a memcpy/memmove, construct the other pointer as the
2028   // appropriate type.  The "Other" pointer is the pointer that goes to memory
2029   // that doesn't have anything to do with the alloca that we are promoting. For
2030   // memset, this Value* stays null.
2031   Value *OtherPtr = 0;
2032   unsigned MemAlignment = MI->getAlignment();
2033   if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(MI)) { // memmove/memcopy
2034     if (Inst == MTI->getRawDest())
2035       OtherPtr = MTI->getRawSource();
2036     else {
2037       assert(Inst == MTI->getRawSource());
2038       OtherPtr = MTI->getRawDest();
2039     }
2040   }
2041
2042   // If there is an other pointer, we want to convert it to the same pointer
2043   // type as AI has, so we can GEP through it safely.
2044   if (OtherPtr) {
2045     unsigned AddrSpace =
2046       cast<PointerType>(OtherPtr->getType())->getAddressSpace();
2047
2048     // Remove bitcasts and all-zero GEPs from OtherPtr.  This is an
2049     // optimization, but it's also required to detect the corner case where
2050     // both pointer operands are referencing the same memory, and where
2051     // OtherPtr may be a bitcast or GEP that currently being rewritten.  (This
2052     // function is only called for mem intrinsics that access the whole
2053     // aggregate, so non-zero GEPs are not an issue here.)
2054     OtherPtr = OtherPtr->stripPointerCasts();
2055
2056     // Copying the alloca to itself is a no-op: just delete it.
2057     if (OtherPtr == AI || OtherPtr == NewElts[0]) {
2058       // This code will run twice for a no-op memcpy -- once for each operand.
2059       // Put only one reference to MI on the DeadInsts list.
2060       for (SmallVector<Value*, 32>::const_iterator I = DeadInsts.begin(),
2061              E = DeadInsts.end(); I != E; ++I)
2062         if (*I == MI) return;
2063       DeadInsts.push_back(MI);
2064       return;
2065     }
2066
2067     // If the pointer is not the right type, insert a bitcast to the right
2068     // type.
2069     const Type *NewTy =
2070       PointerType::get(AI->getType()->getElementType(), AddrSpace);
2071
2072     if (OtherPtr->getType() != NewTy)
2073       OtherPtr = new BitCastInst(OtherPtr, NewTy, OtherPtr->getName(), MI);
2074   }
2075
2076   // Process each element of the aggregate.
2077   bool SROADest = MI->getRawDest() == Inst;
2078
2079   Constant *Zero = Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(MI->getContext()));
2080
2081   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2082     // If this is a memcpy/memmove, emit a GEP of the other element address.
2083     Value *OtherElt = 0;
2084     unsigned OtherEltAlign = MemAlignment;
2085
2086     if (OtherPtr) {
2087       Value *Idx[2] = { Zero,
2088                       ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(MI->getContext()), i) };
2089       OtherElt = GetElementPtrInst::CreateInBounds(OtherPtr, Idx, Idx + 2,
2090                                               OtherPtr->getName()+"."+Twine(i),
2091                                                    MI);
2092       uint64_t EltOffset;
2093       const PointerType *OtherPtrTy = cast<PointerType>(OtherPtr->getType());
2094       const Type *OtherTy = OtherPtrTy->getElementType();
2095       if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(OtherTy)) {
2096         EltOffset = TD->getStructLayout(ST)->getElementOffset(i);
2097       } else {
2098         const Type *EltTy = cast<SequentialType>(OtherTy)->getElementType();
2099         EltOffset = TD->getTypeAllocSize(EltTy)*i;
2100       }
2101
2102       // The alignment of the other pointer is the guaranteed alignment of the
2103       // element, which is affected by both the known alignment of the whole
2104       // mem intrinsic and the alignment of the element.  If the alignment of
2105       // the memcpy (f.e.) is 32 but the element is at a 4-byte offset, then the
2106       // known alignment is just 4 bytes.
2107       OtherEltAlign = (unsigned)MinAlign(OtherEltAlign, EltOffset);
2108     }
2109
2110     Value *EltPtr = NewElts[i];
2111     const Type *EltTy = cast<PointerType>(EltPtr->getType())->getElementType();
2112
2113     // If we got down to a scalar, insert a load or store as appropriate.
2114     if (EltTy->isSingleValueType()) {
2115       if (isa<MemTransferInst>(MI)) {
2116         if (SROADest) {
2117           // From Other to Alloca.
2118           Value *Elt = new LoadInst(OtherElt, "tmp", false, OtherEltAlign, MI);
2119           new StoreInst(Elt, EltPtr, MI);
2120         } else {
2121           // From Alloca to Other.
2122           Value *Elt = new LoadInst(EltPtr, "tmp", MI);
2123           new StoreInst(Elt, OtherElt, false, OtherEltAlign, MI);
2124         }
2125         continue;
2126       }
2127       assert(isa<MemSetInst>(MI));
2128
2129       // If the stored element is zero (common case), just store a null
2130       // constant.
2131       Constant *StoreVal;
2132       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(MI->getArgOperand(1))) {
2133         if (CI->isZero()) {
2134           StoreVal = Constant::getNullValue(EltTy);  // 0.0, null, 0, <0,0>
2135         } else {
2136           // If EltTy is a vector type, get the element type.
2137           const Type *ValTy = EltTy->getScalarType();
2138
2139           // Construct an integer with the right value.
2140           unsigned EltSize = TD->getTypeSizeInBits(ValTy);
2141           APInt OneVal(EltSize, CI->getZExtValue());
2142           APInt TotalVal(OneVal);
2143           // Set each byte.
2144           for (unsigned i = 0; 8*i < EltSize; ++i) {
2145             TotalVal = TotalVal.shl(8);
2146             TotalVal |= OneVal;
2147           }
2148
2149           // Convert the integer value to the appropriate type.
2150           StoreVal = ConstantInt::get(CI->getContext(), TotalVal);
2151           if (ValTy->isPointerTy())
2152             StoreVal = ConstantExpr::getIntToPtr(StoreVal, ValTy);
2153           else if (ValTy->isFloatingPointTy())
2154             StoreVal = ConstantExpr::getBitCast(StoreVal, ValTy);
2155           assert(StoreVal->getType() == ValTy && "Type mismatch!");
2156
2157           // If the requested value was a vector constant, create it.
2158           if (EltTy != ValTy) {
2159             unsigned NumElts = cast<VectorType>(ValTy)->getNumElements();
2160             SmallVector<Constant*, 16> Elts(NumElts, StoreVal);
2161             StoreVal = ConstantVector::get(Elts);
2162           }
2163         }
2164         new StoreInst(StoreVal, EltPtr, MI);
2165         continue;
2166       }
2167       // Otherwise, if we're storing a byte variable, use a memset call for
2168       // this element.
2169     }
2170
2171     unsigned EltSize = TD->getTypeAllocSize(EltTy);
2172
2173     IRBuilder<> Builder(MI);
2174
2175     // Finally, insert the meminst for this element.
2176     if (isa<MemSetInst>(MI)) {
2177       Builder.CreateMemSet(EltPtr, MI->getArgOperand(1), EltSize,
2178                            MI->isVolatile());
2179     } else {
2180       assert(isa<MemTransferInst>(MI));
2181       Value *Dst = SROADest ? EltPtr : OtherElt;  // Dest ptr
2182       Value *Src = SROADest ? OtherElt : EltPtr;  // Src ptr
2183
2184       if (isa<MemCpyInst>(MI))
2185         Builder.CreateMemCpy(Dst, Src, EltSize, OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2186       else
2187         Builder.CreateMemMove(Dst, Src, EltSize,OtherEltAlign,MI->isVolatile());
2188     }
2189   }
2190   DeadInsts.push_back(MI);
2191 }
2192
2193 /// RewriteStoreUserOfWholeAlloca - We found a store of an integer that
2194 /// overwrites the entire allocation.  Extract out the pieces of the stored
2195 /// integer and store them individually.
2196 void SROA::RewriteStoreUserOfWholeAlloca(StoreInst *SI, AllocaInst *AI,
2197                                          SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts){
2198   // Extract each element out of the integer according to its structure offset
2199   // and store the element value to the individual alloca.
2200   Value *SrcVal = SI->getOperand(0);
2201   const Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2202   uint64_t AllocaSizeBits = TD->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2203
2204   IRBuilder<> Builder(SI);
2205   
2206   // Handle tail padding by extending the operand
2207   if (TD->getTypeSizeInBits(SrcVal->getType()) != AllocaSizeBits)
2208     SrcVal = Builder.CreateZExt(SrcVal,
2209                             IntegerType::get(SI->getContext(), AllocaSizeBits));
2210
2211   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING STORE TO WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *SI
2212                << '\n');
2213
2214   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2215   // have different ways to compute the element offset.
2216   if (const StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2217     const StructLayout *Layout = TD->getStructLayout(EltSTy);
2218
2219     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2220       // Get the number of bits to shift SrcVal to get the value.
2221       const Type *FieldTy = EltSTy->getElementType(i);
2222       uint64_t Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2223
2224       if (TD->isBigEndian())
2225         Shift = AllocaSizeBits-Shift-TD->getTypeAllocSizeInBits(FieldTy);
2226
2227       Value *EltVal = SrcVal;
2228       if (Shift) {
2229         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2230         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2231       }
2232
2233       // Truncate down to an integer of the right size.
2234       uint64_t FieldSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2235
2236       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2237       if (FieldSizeBits == 0) continue;
2238
2239       if (FieldSizeBits != AllocaSizeBits)
2240         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2241                              IntegerType::get(SI->getContext(), FieldSizeBits));
2242       Value *DestField = NewElts[i];
2243       if (EltVal->getType() == FieldTy) {
2244         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2245       } else if (FieldTy->isFloatingPointTy() || FieldTy->isVectorTy()) {
2246         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2247         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, FieldTy);
2248       } else {
2249         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2250         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2251                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2252       }
2253       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2254     }
2255
2256   } else {
2257     const ArrayType *ATy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy);
2258     const Type *ArrayEltTy = ATy->getElementType();
2259     uint64_t ElementOffset = TD->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2260     uint64_t ElementSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(ArrayEltTy);
2261
2262     uint64_t Shift;
2263
2264     if (TD->isBigEndian())
2265       Shift = AllocaSizeBits-ElementOffset;
2266     else
2267       Shift = 0;
2268
2269     for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2270       // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2271       if (ElementSizeBits == 0) continue;
2272
2273       Value *EltVal = SrcVal;
2274       if (Shift) {
2275         Value *ShiftVal = ConstantInt::get(EltVal->getType(), Shift);
2276         EltVal = Builder.CreateLShr(EltVal, ShiftVal, "sroa.store.elt");
2277       }
2278
2279       // Truncate down to an integer of the right size.
2280       if (ElementSizeBits != AllocaSizeBits)
2281         EltVal = Builder.CreateTrunc(EltVal,
2282                                      IntegerType::get(SI->getContext(),
2283                                                       ElementSizeBits));
2284       Value *DestField = NewElts[i];
2285       if (EltVal->getType() == ArrayEltTy) {
2286         // Storing to an integer field of this size, just do it.
2287       } else if (ArrayEltTy->isFloatingPointTy() ||
2288                  ArrayEltTy->isVectorTy()) {
2289         // Bitcast to the right element type (for fp/vector values).
2290         EltVal = Builder.CreateBitCast(EltVal, ArrayEltTy);
2291       } else {
2292         // Otherwise, bitcast the dest pointer (for aggregates).
2293         DestField = Builder.CreateBitCast(DestField,
2294                                      PointerType::getUnqual(EltVal->getType()));
2295       }
2296       new StoreInst(EltVal, DestField, SI);
2297
2298       if (TD->isBigEndian())
2299         Shift -= ElementOffset;
2300       else
2301         Shift += ElementOffset;
2302     }
2303   }
2304
2305   DeadInsts.push_back(SI);
2306 }
2307
2308 /// RewriteLoadUserOfWholeAlloca - We found a load of the entire allocation to
2309 /// an integer.  Load the individual pieces to form the aggregate value.
2310 void SROA::RewriteLoadUserOfWholeAlloca(LoadInst *LI, AllocaInst *AI,
2311                                         SmallVector<AllocaInst*, 32> &NewElts) {
2312   // Extract each element out of the NewElts according to its structure offset
2313   // and form the result value.
2314   const Type *AllocaEltTy = AI->getAllocatedType();
2315   uint64_t AllocaSizeBits = TD->getTypeAllocSizeInBits(AllocaEltTy);
2316
2317   DEBUG(dbgs() << "PROMOTING LOAD OF WHOLE ALLOCA: " << *AI << '\n' << *LI
2318                << '\n');
2319
2320   // There are two forms here: AI could be an array or struct.  Both cases
2321   // have different ways to compute the element offset.
2322   const StructLayout *Layout = 0;
2323   uint64_t ArrayEltBitOffset = 0;
2324   if (const StructType *EltSTy = dyn_cast<StructType>(AllocaEltTy)) {
2325     Layout = TD->getStructLayout(EltSTy);
2326   } else {
2327     const Type *ArrayEltTy = cast<ArrayType>(AllocaEltTy)->getElementType();
2328     ArrayEltBitOffset = TD->getTypeAllocSizeInBits(ArrayEltTy);
2329   }
2330
2331   Value *ResultVal =
2332     Constant::getNullValue(IntegerType::get(LI->getContext(), AllocaSizeBits));
2333
2334   for (unsigned i = 0, e = NewElts.size(); i != e; ++i) {
2335     // Load the value from the alloca.  If the NewElt is an aggregate, cast
2336     // the pointer to an integer of the same size before doing the load.
2337     Value *SrcField = NewElts[i];
2338     const Type *FieldTy =
2339       cast<PointerType>(SrcField->getType())->getElementType();
2340     uint64_t FieldSizeBits = TD->getTypeSizeInBits(FieldTy);
2341
2342     // Ignore zero sized fields like {}, they obviously contain no data.
2343     if (FieldSizeBits == 0) continue;
2344
2345     const IntegerType *FieldIntTy = IntegerType::get(LI->getContext(),
2346                                                      FieldSizeBits);
2347     if (!FieldTy->isIntegerTy() && !FieldTy->isFloatingPointTy() &&
2348         !FieldTy->isVectorTy())
2349       SrcField = new BitCastInst(SrcField,
2350                                  PointerType::getUnqual(FieldIntTy),
2351                                  "", LI);
2352     SrcField = new LoadInst(SrcField, "sroa.load.elt", LI);
2353
2354     // If SrcField is a fp or vector of the right size but that isn't an
2355     // integer type, bitcast to an integer so we can shift it.
2356     if (SrcField->getType() != FieldIntTy)
2357       SrcField = new BitCastInst(SrcField, FieldIntTy, "", LI);
2358
2359     // Zero extend the field to be the same size as the final alloca so that
2360     // we can shift and insert it.
2361     if (SrcField->getType() != ResultVal->getType())
2362       SrcField = new ZExtInst(SrcField, ResultVal->getType(), "", LI);
2363
2364     // Determine the number of bits to shift SrcField.
2365     uint64_t Shift;
2366     if (Layout) // Struct case.
2367       Shift = Layout->getElementOffsetInBits(i);
2368     else  // Array case.
2369       Shift = i*ArrayEltBitOffset;
2370
2371     if (TD->isBigEndian())
2372       Shift = AllocaSizeBits-Shift-FieldIntTy->getBitWidth();
2373
2374     if (Shift) {
2375       Value *ShiftVal = ConstantInt::get(SrcField->getType(), Shift);
2376       SrcField = BinaryOperator::CreateShl(SrcField, ShiftVal, "", LI);
2377     }
2378
2379     // Don't create an 'or x, 0' on the first iteration.
2380     if (!isa<Constant>(ResultVal) ||
2381         !cast<Constant>(ResultVal)->isNullValue())
2382       ResultVal = BinaryOperator::CreateOr(SrcField, ResultVal, "", LI);
2383     else
2384       ResultVal = SrcField;
2385   }
2386
2387   // Handle tail padding by truncating the result
2388   if (TD->getTypeSizeInBits(LI->getType()) != AllocaSizeBits)
2389     ResultVal = new TruncInst(ResultVal, LI->getType(), "", LI);
2390
2391   LI->replaceAllUsesWith(ResultVal);
2392   DeadInsts.push_back(LI);
2393 }
2394
2395 /// HasPadding - Return true if the specified type has any structure or
2396 /// alignment padding in between the elements that would be split apart
2397 /// by SROA; return false otherwise.
2398 static bool HasPadding(const Type *Ty, const TargetData &TD) {
2399   if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
2400     Ty = ATy->getElementType();
2401     return TD.getTypeSizeInBits(Ty) != TD.getTypeAllocSizeInBits(Ty);
2402   }
2403
2404   // SROA currently handles only Arrays and Structs.
2405   const StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
2406   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2407   unsigned PrevFieldBitOffset = 0;
2408   for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
2409     unsigned FieldBitOffset = SL->getElementOffsetInBits(i);
2410
2411     // Check to see if there is any padding between this element and the
2412     // previous one.
2413     if (i) {
2414       unsigned PrevFieldEnd =
2415         PrevFieldBitOffset+TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(i-1));
2416       if (PrevFieldEnd < FieldBitOffset)
2417         return true;
2418     }
2419     PrevFieldBitOffset = FieldBitOffset;
2420   }
2421   // Check for tail padding.
2422   if (unsigned EltCount = STy->getNumElements()) {
2423     unsigned PrevFieldEnd = PrevFieldBitOffset +
2424       TD.getTypeSizeInBits(STy->getElementType(EltCount-1));
2425     if (PrevFieldEnd < SL->getSizeInBits())
2426       return true;
2427   }
2428   return false;
2429 }
2430
2431 /// isSafeStructAllocaToScalarRepl - Check to see if the specified allocation of
2432 /// an aggregate can be broken down into elements.  Return 0 if not, 3 if safe,
2433 /// or 1 if safe after canonicalization has been performed.
2434 bool SROA::isSafeAllocaToScalarRepl(AllocaInst *AI) {
2435   // Loop over the use list of the alloca.  We can only transform it if all of
2436   // the users are safe to transform.
2437   AllocaInfo Info(AI);
2438
2439   isSafeForScalarRepl(AI, 0, Info);
2440   if (Info.isUnsafe) {
2441     DEBUG(dbgs() << "Cannot transform: " << *AI << '\n');
2442     return false;
2443   }
2444
2445   // Okay, we know all the users are promotable.  If the aggregate is a memcpy
2446   // source and destination, we have to be careful.  In particular, the memcpy
2447   // could be moving around elements that live in structure padding of the LLVM
2448   // types, but may actually be used.  In these cases, we refuse to promote the
2449   // struct.
2450   if (Info.isMemCpySrc && Info.isMemCpyDst &&
2451       HasPadding(AI->getAllocatedType(), *TD))
2452     return false;
2453
2454   // If the alloca never has an access to just *part* of it, but is accessed
2455   // via loads and stores, then we should use ConvertToScalarInfo to promote
2456   // the alloca instead of promoting each piece at a time and inserting fission
2457   // and fusion code.
2458   if (!Info.hasSubelementAccess && Info.hasALoadOrStore) {
2459     // If the struct/array just has one element, use basic SRoA.
2460     if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
2461       if (ST->getNumElements() > 1) return false;
2462     } else {
2463       if (cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType())->getNumElements() > 1)
2464         return false;
2465     }
2466   }
2467   
2468   return true;
2469 }
2470
2471
2472
2473 /// PointsToConstantGlobal - Return true if V (possibly indirectly) points to
2474 /// some part of a constant global variable.  This intentionally only accepts
2475 /// constant expressions because we don't can't rewrite arbitrary instructions.
2476 static bool PointsToConstantGlobal(Value *V) {
2477   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
2478     return GV->isConstant();
2479   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
2480     if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast ||
2481         CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
2482       return PointsToConstantGlobal(CE->getOperand(0));
2483   return false;
2484 }
2485
2486 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Recursively walk the uses of a (derived)
2487 /// pointer to an alloca.  Ignore any reads of the pointer, return false if we
2488 /// see any stores or other unknown uses.  If we see pointer arithmetic, keep
2489 /// track of whether it moves the pointer (with isOffset) but otherwise traverse
2490 /// the uses.  If we see a memcpy/memmove that targets an unoffseted pointer to
2491 /// the alloca, and if the source pointer is a pointer to a constant global, we
2492 /// can optimize this.
2493 static bool isOnlyCopiedFromConstantGlobal(Value *V, MemTransferInst *&TheCopy,
2494                                            bool isOffset) {
2495   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
2496     User *U = cast<Instruction>(*UI);
2497
2498     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
2499       // Ignore non-volatile loads, they are always ok.
2500       if (LI->isVolatile()) return false;
2501       continue;
2502     }
2503
2504     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
2505       // If uses of the bitcast are ok, we are ok.
2506       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(BCI, TheCopy, isOffset))
2507         return false;
2508       continue;
2509     }
2510     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
2511       // If the GEP has all zero indices, it doesn't offset the pointer.  If it
2512       // doesn't, it does.
2513       if (!isOnlyCopiedFromConstantGlobal(GEP, TheCopy,
2514                                          isOffset || !GEP->hasAllZeroIndices()))
2515         return false;
2516       continue;
2517     }
2518
2519     if (CallSite CS = U) {
2520       // If this is the function being called then we treat it like a load and
2521       // ignore it.
2522       if (CS.isCallee(UI))
2523         continue;
2524
2525       // If this is a readonly/readnone call site, then we know it is just a
2526       // load (but one that potentially returns the value itself), so we can
2527       // ignore it if we know that the value isn't captured.
2528       unsigned ArgNo = CS.getArgumentNo(UI);
2529       if (CS.onlyReadsMemory() &&
2530           (CS.getInstruction()->use_empty() ||
2531            CS.paramHasAttr(ArgNo+1, Attribute::NoCapture)))
2532         continue;
2533
2534       // If this is being passed as a byval argument, the caller is making a
2535       // copy, so it is only a read of the alloca.
2536       if (CS.paramHasAttr(ArgNo+1, Attribute::ByVal))
2537         continue;
2538     }
2539
2540     // If this is isn't our memcpy/memmove, reject it as something we can't
2541     // handle.
2542     MemTransferInst *MI = dyn_cast<MemTransferInst>(U);
2543     if (MI == 0)
2544       return false;
2545
2546     // If the transfer is using the alloca as a source of the transfer, then
2547     // ignore it since it is a load (unless the transfer is volatile).
2548     if (UI.getOperandNo() == 1) {
2549       if (MI->isVolatile()) return false;
2550       continue;
2551     }
2552
2553     // If we already have seen a copy, reject the second one.
2554     if (TheCopy) return false;
2555
2556     // If the pointer has been offset from the start of the alloca, we can't
2557     // safely handle this.
2558     if (isOffset) return false;
2559
2560     // If the memintrinsic isn't using the alloca as the dest, reject it.
2561     if (UI.getOperandNo() != 0) return false;
2562
2563     // If the source of the memcpy/move is not a constant global, reject it.
2564     if (!PointsToConstantGlobal(MI->getSource()))
2565       return false;
2566
2567     // Otherwise, the transform is safe.  Remember the copy instruction.
2568     TheCopy = MI;
2569   }
2570   return true;
2571 }
2572
2573 /// isOnlyCopiedFromConstantGlobal - Return true if the specified alloca is only
2574 /// modified by a copy from a constant global.  If we can prove this, we can
2575 /// replace any uses of the alloca with uses of the global directly.
2576 MemTransferInst *SROA::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AllocaInst *AI) {
2577   MemTransferInst *TheCopy = 0;
2578   if (::isOnlyCopiedFromConstantGlobal(AI, TheCopy, false))
2579     return TheCopy;
2580   return 0;
2581 }