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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SeparateConstOffsetFromGEP.cpp
1 //===-- SeparateConstOffsetFromGEP.cpp - ------------------------*- C++ -*-===//
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 // Loop unrolling may create many similar GEPs for array accesses.
11 // e.g., a 2-level loop
12 //
13 // float a[32][32]; // global variable
14 //
15 // for (int i = 0; i < 2; ++i) {
16 //   for (int j = 0; j < 2; ++j) {
17 //     ...
18 //     ... = a[x + i][y + j];
19 //     ...
20 //   }
21 // }
22 //
23 // will probably be unrolled to:
24 //
25 // gep %a, 0, %x, %y; load
26 // gep %a, 0, %x, %y + 1; load
27 // gep %a, 0, %x + 1, %y; load
28 // gep %a, 0, %x + 1, %y + 1; load
29 //
30 // LLVM's GVN does not use partial redundancy elimination yet, and is thus
31 // unable to reuse (gep %a, 0, %x, %y). As a result, this misoptimization incurs
32 // significant slowdown in targets with limited addressing modes. For instance,
33 // because the PTX target does not support the reg+reg addressing mode, the
34 // NVPTX backend emits PTX code that literally computes the pointer address of
35 // each GEP, wasting tons of registers. It emits the following PTX for the
36 // first load and similar PTX for other loads.
37 //
38 // mov.u32         %r1, %x;
39 // mov.u32         %r2, %y;
40 // mul.wide.u32    %rl2, %r1, 128;
41 // mov.u64         %rl3, a;
42 // add.s64         %rl4, %rl3, %rl2;
43 // mul.wide.u32    %rl5, %r2, 4;
44 // add.s64         %rl6, %rl4, %rl5;
45 // ld.global.f32   %f1, [%rl6];
46 //
47 // To reduce the register pressure, the optimization implemented in this file
48 // merges the common part of a group of GEPs, so we can compute each pointer
49 // address by adding a simple offset to the common part, saving many registers.
50 //
51 // It works by splitting each GEP into a variadic base and a constant offset.
52 // The variadic base can be computed once and reused by multiple GEPs, and the
53 // constant offsets can be nicely folded into the reg+immediate addressing mode
54 // (supported by most targets) without using any extra register.
55 //
56 // For instance, we transform the four GEPs and four loads in the above example
57 // into:
58 //
59 // base = gep a, 0, x, y
60 // load base
61 // laod base + 1  * sizeof(float)
62 // load base + 32 * sizeof(float)
63 // load base + 33 * sizeof(float)
64 //
65 // Given the transformed IR, a backend that supports the reg+immediate
66 // addressing mode can easily fold the pointer arithmetics into the loads. For
67 // example, the NVPTX backend can easily fold the pointer arithmetics into the
68 // ld.global.f32 instructions, and the resultant PTX uses much fewer registers.
69 //
70 // mov.u32         %r1, %tid.x;
71 // mov.u32         %r2, %tid.y;
72 // mul.wide.u32    %rl2, %r1, 128;
73 // mov.u64         %rl3, a;
74 // add.s64         %rl4, %rl3, %rl2;
75 // mul.wide.u32    %rl5, %r2, 4;
76 // add.s64         %rl6, %rl4, %rl5;
77 // ld.global.f32   %f1, [%rl6]; // so far the same as unoptimized PTX
78 // ld.global.f32   %f2, [%rl6+4]; // much better
79 // ld.global.f32   %f3, [%rl6+128]; // much better
80 // ld.global.f32   %f4, [%rl6+132]; // much better
81 //
82 //===----------------------------------------------------------------------===//
83
84 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
85 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
86 #include "llvm/IR/Constants.h"
87 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
88 #include "llvm/IR/Instructions.h"
89 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
90 #include "llvm/IR/Module.h"
91 #include "llvm/IR/Operator.h"
92 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
93 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
94 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
95
96 using namespace llvm;
97
98 static cl::opt<bool> DisableSeparateConstOffsetFromGEP(
99     "disable-separate-const-offset-from-gep", cl::init(false),
100     cl::desc("Do not separate the constant offset from a GEP instruction"),
101     cl::Hidden);
102
103 namespace {
104
105 /// \brief A helper class for separating a constant offset from a GEP index.
106 ///
107 /// In real programs, a GEP index may be more complicated than a simple addition
108 /// of something and a constant integer which can be trivially splitted. For
109 /// example, to split ((a << 3) | 5) + b, we need to search deeper for the
110 /// constant offset, so that we can separate the index to (a << 3) + b and 5.
111 ///
112 /// Therefore, this class looks into the expression that computes a given GEP
113 /// index, and tries to find a constant integer that can be hoisted to the
114 /// outermost level of the expression as an addition. Not every constant in an
115 /// expression can jump out. e.g., we cannot transform (b * (a + 5)) to (b * a +
116 /// 5); nor can we transform (3 * (a + 5)) to (3 * a + 5), however in this case,
117 /// -instcombine probably already optimized (3 * (a + 5)) to (3 * a + 15).
118 class ConstantOffsetExtractor {
119  public:
120   /// Extracts a constant offset from the given GEP index. It outputs the
121   /// numeric value of the extracted constant offset (0 if failed), and a
122   /// new index representing the remainder (equal to the original index minus
123   /// the constant offset).
124   /// \p Idx The given GEP index
125   /// \p NewIdx The new index to replace
126   /// \p DL The datalayout of the module
127   /// \p IP Calculating the new index requires new instructions. IP indicates
128   /// where to insert them (typically right before the GEP).
129   static int64_t Extract(Value *Idx, Value *&NewIdx, const DataLayout *DL,
130                          Instruction *IP);
131   /// Looks for a constant offset without extracting it. The meaning of the
132   /// arguments and the return value are the same as Extract.
133   static int64_t Find(Value *Idx, const DataLayout *DL);
134
135  private:
136   ConstantOffsetExtractor(const DataLayout *Layout, Instruction *InsertionPt)
137       : DL(Layout), IP(InsertionPt) {}
138   /// Searches the expression that computes V for a constant offset. If the
139   /// searching is successful, update UserChain as a path from V to the constant
140   /// offset.
141   int64_t find(Value *V);
142   /// A helper function to look into both operands of a binary operator U.
143   /// \p IsSub Whether U is a sub operator. If so, we need to negate the
144   /// constant offset at some point.
145   int64_t findInEitherOperand(User *U, bool IsSub);
146   /// After finding the constant offset and how it is reached from the GEP
147   /// index, we build a new index which is a clone of the old one except the
148   /// constant offset is removed. For example, given (a + (b + 5)) and knowning
149   /// the constant offset is 5, this function returns (a + b).
150   ///
151   /// We cannot simply change the constant to zero because the expression that
152   /// computes the index or its intermediate result may be used by others.
153   Value *rebuildWithoutConstantOffset();
154   // A helper function for rebuildWithoutConstantOffset that rebuilds the direct
155   // user (U) of the constant offset (C).
156   Value *rebuildLeafWithoutConstantOffset(User *U, Value *C);
157   /// Returns a clone of U except the first occurrence of From with To.
158   Value *cloneAndReplace(User *U, Value *From, Value *To);
159
160   /// Returns true if LHS and RHS have no bits in common, i.e., LHS | RHS == 0.
161   bool NoCommonBits(Value *LHS, Value *RHS) const;
162   /// Computes which bits are known to be one or zero.
163   /// \p KnownOne Mask of all bits that are known to be one.
164   /// \p KnownZero Mask of all bits that are known to be zero.
165   void ComputeKnownBits(Value *V, APInt &KnownOne, APInt &KnownZero) const;
166   /// Finds the first use of Used in U. Returns -1 if not found.
167   static unsigned FindFirstUse(User *U, Value *Used);
168   /// Returns whether OPC (sext or zext) can be distributed to the operands of
169   /// BO. e.g., sext can be distributed to the operands of an "add nsw" because
170   /// sext (add nsw a, b) == add nsw (sext a), (sext b).
171   static bool Distributable(unsigned OPC, BinaryOperator *BO);
172
173   /// The path from the constant offset to the old GEP index. e.g., if the GEP
174   /// index is "a * b + (c + 5)". After running function find, UserChain[0] will
175   /// be the constant 5, UserChain[1] will be the subexpression "c + 5", and
176   /// UserChain[2] will be the entire expression "a * b + (c + 5)".
177   ///
178   /// This path helps rebuildWithoutConstantOffset rebuild the new GEP index.
179   SmallVector<User *, 8> UserChain;
180   /// The data layout of the module. Used in ComputeKnownBits.
181   const DataLayout *DL;
182   Instruction *IP;  /// Insertion position of cloned instructions.
183 };
184
185 /// \brief A pass that tries to split every GEP in the function into a variadic
186 /// base and a constant offset. It is a FunctionPass because searching for the
187 /// constant offset may inspect other basic blocks.
188 class SeparateConstOffsetFromGEP : public FunctionPass {
189  public:
190   static char ID;
191   SeparateConstOffsetFromGEP() : FunctionPass(ID) {
192     initializeSeparateConstOffsetFromGEPPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
193   }
194
195   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
196     AU.addRequired<DataLayoutPass>();
197     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
198   }
199   bool runOnFunction(Function &F) override;
200
201  private:
202   /// Tries to split the given GEP into a variadic base and a constant offset,
203   /// and returns true if the splitting succeeds.
204   bool splitGEP(GetElementPtrInst *GEP);
205   /// Finds the constant offset within each index, and accumulates them. This
206   /// function only inspects the GEP without changing it. The output
207   /// NeedsExtraction indicates whether we can extract a non-zero constant
208   /// offset from any index.
209   int64_t accumulateByteOffset(GetElementPtrInst *GEP, const DataLayout *DL,
210                                bool &NeedsExtraction);
211 };
212 }  // anonymous namespace
213
214 char SeparateConstOffsetFromGEP::ID = 0;
215 INITIALIZE_PASS_BEGIN(
216     SeparateConstOffsetFromGEP, "separate-const-offset-from-gep",
217     "Split GEPs to a variadic base and a constant offset for better CSE", false,
218     false)
219 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
220 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DataLayoutPass)
221 INITIALIZE_PASS_END(
222     SeparateConstOffsetFromGEP, "separate-const-offset-from-gep",
223     "Split GEPs to a variadic base and a constant offset for better CSE", false,
224     false)
225
226 FunctionPass *llvm::createSeparateConstOffsetFromGEPPass() {
227   return new SeparateConstOffsetFromGEP();
228 }
229
230 bool ConstantOffsetExtractor::Distributable(unsigned OPC, BinaryOperator *BO) {
231   assert(OPC == Instruction::SExt || OPC == Instruction::ZExt);
232
233   // sext (add/sub nsw A, B) == add/sub nsw (sext A), (sext B)
234   // zext (add/sub nuw A, B) == add/sub nuw (zext A), (zext B)
235   if (BO->getOpcode() == Instruction::Add ||
236       BO->getOpcode() == Instruction::Sub) {
237     return (OPC == Instruction::SExt && BO->hasNoSignedWrap()) ||
238            (OPC == Instruction::ZExt && BO->hasNoUnsignedWrap());
239   }
240
241   // sext/zext (and/or/xor A, B) == and/or/xor (sext/zext A), (sext/zext B)
242   // -instcombine also leverages this invariant to do the reverse
243   // transformation to reduce integer casts.
244   return BO->getOpcode() == Instruction::And ||
245          BO->getOpcode() == Instruction::Or ||
246          BO->getOpcode() == Instruction::Xor;
247 }
248
249 int64_t ConstantOffsetExtractor::findInEitherOperand(User *U, bool IsSub) {
250   assert(U->getNumOperands() == 2);
251   int64_t ConstantOffset = find(U->getOperand(0));
252   // If we found a constant offset in the left operand, stop and return that.
253   // This shortcut might cause us to miss opportunities of combining the
254   // constant offsets in both operands, e.g., (a + 4) + (b + 5) => (a + b) + 9.
255   // However, such cases are probably already handled by -instcombine,
256   // given this pass runs after the standard optimizations.
257   if (ConstantOffset != 0) return ConstantOffset;
258   ConstantOffset = find(U->getOperand(1));
259   // If U is a sub operator, negate the constant offset found in the right
260   // operand.
261   return IsSub ? -ConstantOffset : ConstantOffset;
262 }
263
264 int64_t ConstantOffsetExtractor::find(Value *V) {
265   // TODO(jingyue): We can even trace into integer/pointer casts, such as
266   // inttoptr, ptrtoint, bitcast, and addrspacecast. We choose to handle only
267   // integers because it gives good enough results for our benchmarks.
268   assert(V->getType()->isIntegerTy());
269
270   User *U = dyn_cast<User>(V);
271   // We cannot do much with Values that are not a User, such as BasicBlock and
272   // MDNode.
273   if (U == nullptr) return 0;
274
275   int64_t ConstantOffset = 0;
276   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U)) {
277     // Hooray, we found it!
278     ConstantOffset = CI->getSExtValue();
279   } else if (Operator *O = dyn_cast<Operator>(U)) {
280     // The GEP index may be more complicated than a simple addition of a
281     // varaible and a constant. Therefore, we trace into subexpressions for more
282     // hoisting opportunities.
283     switch (O->getOpcode()) {
284       case Instruction::Add: {
285         ConstantOffset = findInEitherOperand(U, false);
286         break;
287       }
288       case Instruction::Sub: {
289         ConstantOffset = findInEitherOperand(U, true);
290         break;
291       }
292       case Instruction::Or: {
293         // If LHS and RHS don't have common bits, (LHS | RHS) is equivalent to
294         // (LHS + RHS).
295         if (NoCommonBits(U->getOperand(0), U->getOperand(1)))
296           ConstantOffset = findInEitherOperand(U, false);
297         break;
298       }
299       case Instruction::SExt:
300       case Instruction::ZExt: {
301         // We trace into sext/zext if the operator can be distributed to its
302         // operand. e.g., we can transform into "sext (add nsw a, 5)" and
303         // extract constant 5, because
304         //   sext (add nsw a, 5) == add nsw (sext a), 5
305         if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(U->getOperand(0))) {
306           if (Distributable(O->getOpcode(), BO))
307             ConstantOffset = find(U->getOperand(0));
308         }
309         break;
310       }
311     }
312   }
313   // If we found a non-zero constant offset, adds it to the path for future
314   // transformation (rebuildWithoutConstantOffset). Zero is a valid constant
315   // offset, but doesn't help this optimization.
316   if (ConstantOffset != 0)
317     UserChain.push_back(U);
318   return ConstantOffset;
319 }
320
321 unsigned ConstantOffsetExtractor::FindFirstUse(User *U, Value *Used) {
322   for (unsigned I = 0, E = U->getNumOperands(); I < E; ++I) {
323     if (U->getOperand(I) == Used)
324       return I;
325   }
326   return -1;
327 }
328
329 Value *ConstantOffsetExtractor::cloneAndReplace(User *U, Value *From,
330                                                 Value *To) {
331   // Finds in U the first use of From. It is safe to ignore future occurrences
332   // of From, because findInEitherOperand similarly stops searching the right
333   // operand when the first operand has a non-zero constant offset.
334   unsigned OpNo = FindFirstUse(U, From);
335   assert(OpNo != (unsigned)-1 && "UserChain wasn't built correctly");
336
337   // ConstantOffsetExtractor::find only follows Operators (i.e., Instructions
338   // and ConstantExprs). Therefore, U is either an Instruction or a
339   // ConstantExpr.
340   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U)) {
341     Instruction *Clone = I->clone();
342     Clone->setOperand(OpNo, To);
343     Clone->insertBefore(IP);
344     return Clone;
345   }
346   // cast<Constant>(To) is safe because a ConstantExpr only uses Constants.
347   return cast<ConstantExpr>(U)
348       ->getWithOperandReplaced(OpNo, cast<Constant>(To));
349 }
350
351 Value *ConstantOffsetExtractor::rebuildLeafWithoutConstantOffset(User *U,
352                                                                  Value *C) {
353   assert(U->getNumOperands() <= 2 &&
354          "We didn't trace into any operator with more than 2 operands");
355   // If U has only one operand which is the constant offset, removing the
356   // constant offset leaves U as a null value.
357   if (U->getNumOperands() == 1)
358     return Constant::getNullValue(U->getType());
359
360   // U->getNumOperands() == 2
361   unsigned OpNo = FindFirstUse(U, C); // U->getOperand(OpNo) == C
362   assert(OpNo < 2 && "UserChain wasn't built correctly");
363   Value *TheOther = U->getOperand(1 - OpNo); // The other operand of U
364   // If U = C - X, removing C makes U = -X; otherwise U will simply be X.
365   if (!isa<SubOperator>(U) || OpNo == 1)
366     return TheOther;
367   if (isa<ConstantExpr>(U))
368     return ConstantExpr::getNeg(cast<Constant>(TheOther));
369   return BinaryOperator::CreateNeg(TheOther, "", IP);
370 }
371
372 Value *ConstantOffsetExtractor::rebuildWithoutConstantOffset() {
373   assert(UserChain.size() > 0 && "you at least found a constant, right?");
374   // Start with the constant and go up through UserChain, each time building a
375   // clone of the subexpression but with the constant removed.
376   // e.g., to build a clone of (a + (b + (c + 5)) but with the 5 removed, we
377   // first c, then (b + c), and finally (a + (b + c)).
378   //
379   // Fast path: if the GEP index is a constant, simply returns 0.
380   if (UserChain.size() == 1)
381     return ConstantInt::get(UserChain[0]->getType(), 0);
382
383   Value *Remainder =
384       rebuildLeafWithoutConstantOffset(UserChain[1], UserChain[0]);
385   for (size_t I = 2; I < UserChain.size(); ++I)
386     Remainder = cloneAndReplace(UserChain[I], UserChain[I - 1], Remainder);
387   return Remainder;
388 }
389
390 int64_t ConstantOffsetExtractor::Extract(Value *Idx, Value *&NewIdx,
391                                          const DataLayout *DL,
392                                          Instruction *IP) {
393   ConstantOffsetExtractor Extractor(DL, IP);
394   // Find a non-zero constant offset first.
395   int64_t ConstantOffset = Extractor.find(Idx);
396   if (ConstantOffset == 0)
397     return 0;
398   // Then rebuild a new index with the constant removed.
399   NewIdx = Extractor.rebuildWithoutConstantOffset();
400   return ConstantOffset;
401 }
402
403 int64_t ConstantOffsetExtractor::Find(Value *Idx, const DataLayout *DL) {
404   return ConstantOffsetExtractor(DL, nullptr).find(Idx);
405 }
406
407 void ConstantOffsetExtractor::ComputeKnownBits(Value *V, APInt &KnownOne,
408                                                APInt &KnownZero) const {
409   IntegerType *IT = cast<IntegerType>(V->getType());
410   KnownOne = APInt(IT->getBitWidth(), 0);
411   KnownZero = APInt(IT->getBitWidth(), 0);
412   llvm::computeKnownBits(V, KnownZero, KnownOne, DL, 0);
413 }
414
415 bool ConstantOffsetExtractor::NoCommonBits(Value *LHS, Value *RHS) const {
416   assert(LHS->getType() == RHS->getType() &&
417          "LHS and RHS should have the same type");
418   APInt LHSKnownOne, LHSKnownZero, RHSKnownOne, RHSKnownZero;
419   ComputeKnownBits(LHS, LHSKnownOne, LHSKnownZero);
420   ComputeKnownBits(RHS, RHSKnownOne, RHSKnownZero);
421   return (LHSKnownZero | RHSKnownZero).isAllOnesValue();
422 }
423
424 int64_t SeparateConstOffsetFromGEP::accumulateByteOffset(
425     GetElementPtrInst *GEP, const DataLayout *DL, bool &NeedsExtraction) {
426   NeedsExtraction = false;
427   int64_t AccumulativeByteOffset = 0;
428   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
429   for (unsigned I = 1, E = GEP->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
430     if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
431       // Tries to extract a constant offset from this GEP index.
432       int64_t ConstantOffset =
433           ConstantOffsetExtractor::Find(GEP->getOperand(I), DL);
434       if (ConstantOffset != 0) {
435         NeedsExtraction = true;
436         // A GEP may have multiple indices.  We accumulate the extracted
437         // constant offset to a byte offset, and later offset the remainder of
438         // the original GEP with this byte offset.
439         AccumulativeByteOffset +=
440             ConstantOffset * DL->getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
441       }
442     }
443   }
444   return AccumulativeByteOffset;
445 }
446
447 bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
448   // Skip vector GEPs.
449   if (GEP->getType()->isVectorTy())
450     return false;
451
452   // The backend can already nicely handle the case where all indices are
453   // constant.
454   if (GEP->hasAllConstantIndices())
455     return false;
456
457   bool Changed = false;
458
459   // Shortcuts integer casts. Eliminating these explicit casts can make
460   // subsequent optimizations more obvious: ConstantOffsetExtractor needn't
461   // trace into these casts.
462   if (GEP->isInBounds()) {
463     // Doing this to inbounds GEPs is safe because their indices are guaranteed
464     // to be non-negative and in bounds.
465     gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
466     for (unsigned I = 1, E = GEP->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
467       if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
468         if (Operator *O = dyn_cast<Operator>(GEP->getOperand(I))) {
469           if (O->getOpcode() == Instruction::SExt ||
470               O->getOpcode() == Instruction::ZExt) {
471             GEP->setOperand(I, O->getOperand(0));
472             Changed = true;
473           }
474         }
475       }
476     }
477   }
478
479   const DataLayout *DL = &getAnalysis<DataLayoutPass>().getDataLayout();
480   bool NeedsExtraction;
481   int64_t AccumulativeByteOffset =
482       accumulateByteOffset(GEP, DL, NeedsExtraction);
483
484   if (!NeedsExtraction)
485     return Changed;
486   // Before really splitting the GEP, check whether the backend supports the
487   // addressing mode we are about to produce. If no, this splitting probably
488   // won't be beneficial.
489   TargetTransformInfo &TTI = getAnalysis<TargetTransformInfo>();
490   if (!TTI.isLegalAddressingMode(GEP->getType()->getElementType(),
491                                  /*BaseGV=*/nullptr, AccumulativeByteOffset,
492                                  /*HasBaseReg=*/true, /*Scale=*/0)) {
493     return Changed;
494   }
495
496   // Remove the constant offset in each GEP index. The resultant GEP computes
497   // the variadic base.
498   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
499   for (unsigned I = 1, E = GEP->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
500     if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
501       Value *NewIdx = nullptr;
502       // Tries to extract a constant offset from this GEP index.
503       int64_t ConstantOffset =
504           ConstantOffsetExtractor::Extract(GEP->getOperand(I), NewIdx, DL, GEP);
505       if (ConstantOffset != 0) {
506         assert(NewIdx != nullptr &&
507                "ConstantOffset != 0 implies NewIdx is set");
508         GEP->setOperand(I, NewIdx);
509         // Clear the inbounds attribute because the new index may be off-bound.
510         // e.g.,
511         //
512         // b = add i64 a, 5
513         // addr = gep inbounds float* p, i64 b
514         //
515         // is transformed to:
516         //
517         // addr2 = gep float* p, i64 a
518         // addr = gep float* addr2, i64 5
519         //
520         // If a is -4, although the old index b is in bounds, the new index a is
521         // off-bound. http://llvm.org/docs/LangRef.html#id181 says "if the
522         // inbounds keyword is not present, the offsets are added to the base
523         // address with silently-wrapping two's complement arithmetic".
524         // Therefore, the final code will be a semantically equivalent.
525         //
526         // TODO(jingyue): do some range analysis to keep as many inbounds as
527         // possible. GEPs with inbounds are more friendly to alias analysis.
528         GEP->setIsInBounds(false);
529         Changed = true;
530       }
531     }
532   }
533
534   // Offsets the base with the accumulative byte offset.
535   //
536   //   %gep                        ; the base
537   //   ... %gep ...
538   //
539   // => add the offset
540   //
541   //   %gep2                       ; clone of %gep
542   //   %new.gep = gep %gep2, <offset / sizeof(*%gep)>
543   //   %gep                        ; will be removed
544   //   ... %gep ...
545   //
546   // => replace all uses of %gep with %new.gep and remove %gep
547   //
548   //   %gep2                       ; clone of %gep
549   //   %new.gep = gep %gep2, <offset / sizeof(*%gep)>
550   //   ... %new.gep ...
551   //
552   // If AccumulativeByteOffset is not a multiple of sizeof(*%gep), we emit an
553   // uglygep (http://llvm.org/docs/GetElementPtr.html#what-s-an-uglygep):
554   // bitcast %gep2 to i8*, add the offset, and bitcast the result back to the
555   // type of %gep.
556   //
557   //   %gep2                       ; clone of %gep
558   //   %0       = bitcast %gep2 to i8*
559   //   %uglygep = gep %0, <offset>
560   //   %new.gep = bitcast %uglygep to <type of %gep>
561   //   ... %new.gep ...
562   Instruction *NewGEP = GEP->clone();
563   NewGEP->insertBefore(GEP);
564
565   Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(GEP->getType());
566   uint64_t ElementTypeSizeOfGEP =
567       DL->getTypeAllocSize(GEP->getType()->getElementType());
568   if (AccumulativeByteOffset % ElementTypeSizeOfGEP == 0) {
569     // Very likely. As long as %gep is natually aligned, the byte offset we
570     // extracted should be a multiple of sizeof(*%gep).
571     // Per ANSI C standard, signed / unsigned = unsigned. Therefore, we
572     // cast ElementTypeSizeOfGEP to signed.
573     int64_t Index =
574         AccumulativeByteOffset / static_cast<int64_t>(ElementTypeSizeOfGEP);
575     NewGEP = GetElementPtrInst::Create(
576         NewGEP, ConstantInt::get(IntPtrTy, Index, true), GEP->getName(), GEP);
577   } else {
578     // Unlikely but possible. For example,
579     // #pragma pack(1)
580     // struct S {
581     //   int a[3];
582     //   int64 b[8];
583     // };
584     // #pragma pack()
585     //
586     // Suppose the gep before extraction is &s[i + 1].b[j + 3]. After
587     // extraction, it becomes &s[i].b[j] and AccumulativeByteOffset is
588     // sizeof(S) + 3 * sizeof(int64) = 100, which is not a multiple of
589     // sizeof(int64).
590     //
591     // Emit an uglygep in this case.
592     Type *I8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(GEP->getContext(),
593                                        GEP->getPointerAddressSpace());
594     NewGEP = new BitCastInst(NewGEP, I8PtrTy, "", GEP);
595     NewGEP = GetElementPtrInst::Create(
596         NewGEP, ConstantInt::get(IntPtrTy, AccumulativeByteOffset, true),
597         "uglygep", GEP);
598     if (GEP->getType() != I8PtrTy)
599       NewGEP = new BitCastInst(NewGEP, GEP->getType(), GEP->getName(), GEP);
600   }
601
602   GEP->replaceAllUsesWith(NewGEP);
603   GEP->eraseFromParent();
604
605   return true;
606 }
607
608 bool SeparateConstOffsetFromGEP::runOnFunction(Function &F) {
609   if (DisableSeparateConstOffsetFromGEP)
610     return false;
611
612   bool Changed = false;
613   for (Function::iterator B = F.begin(), BE = F.end(); B != BE; ++B) {
614     for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), IE = B->end(); I != IE; ) {
615       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I++)) {
616         Changed |= splitGEP(GEP);
617       }
618       // No need to split GEP ConstantExprs because all its indices are constant
619       // already.
620     }
621   }
622   return Changed;
623 }