Remove attribution from file headers, per discussion on llvmdev.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
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 file transforms calls of the current function (self recursion) followed
11 // by a return instruction with a branch to the entry of the function, creating
12 // a loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
13 // algorithm:
14 //
15 //  1. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
16 //     transformation from taking place, though currently the analysis cannot
17 //     support moving any really useful instructions (only dead ones).
18 //  2. This pass transforms functions that are prevented from being tail
19 //     recursive by an associative expression to use an accumulator variable,
20 //     thus compiling the typical naive factorial or 'fib' implementation into
21 //     efficient code.
22 //  3. TRE is performed if the function returns void, if the return
23 //     returns the result returned by the call, or if the function returns a
24 //     run-time constant on all exits from the function.  It is possible, though
25 //     unlikely, that the return returns something else (like constant 0), and
26 //     can still be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in
27 //     the function return the exact same value.
28 //  4. If it can prove that callees do not access theier caller stack frame,
29 //     they are marked as eligible for tail call elimination (by the code
30 //     generator).
31 //
32 // There are several improvements that could be made:
33 //
34 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
35 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
36 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
37 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
38 //     function does not read or write the stack object.
39 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately preceeds the
40 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
41 //     the call and the return.
42 //  3. There can be intervening operations between the call and the return that
43 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
44 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
45 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
46 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
47 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
48 //  4. The algorithm we use to detect if callees access their caller stack
49 //     frames is very primitive.
50 //
51 //===----------------------------------------------------------------------===//
52
53 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
54 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
55 #include "llvm/Constants.h"
56 #include "llvm/DerivedTypes.h"
57 #include "llvm/Function.h"
58 #include "llvm/Instructions.h"
59 #include "llvm/Pass.h"
60 #include "llvm/Support/CFG.h"
61 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
62 #include "llvm/Support/Compiler.h"
63 using namespace llvm;
64
65 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
66 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
67
68 namespace {
69   struct VISIBILITY_HIDDEN TailCallElim : public FunctionPass {
70     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
71     TailCallElim() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
72
73     virtual bool runOnFunction(Function &F);
74
75   private:
76     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
77                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
78                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs,
79                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
80     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
81     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
82   };
83   char TailCallElim::ID = 0;
84   RegisterPass<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
85 }
86
87 // Public interface to the TailCallElimination pass
88 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
89   return new TailCallElim();
90 }
91
92
93 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
94 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
95 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
96 /// call sites if desired.
97 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
98   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
99   return true;
100 }
101
102 /// FunctionContainsAllocas - Scan the specified basic block for alloca
103 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
104 /// true.
105 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
106                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
107   bool RetVal = false;
108   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
109     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
110       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
111
112       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
113       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
114       // with this mechanism.
115       if (BB != &BB->getParent()->getEntryBlock() ||
116           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
117         CannotTCETailMarkedCall = true;
118     }
119   return RetVal;
120 }
121
122 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
123   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
124   // right, so don't even try to convert it...
125   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
126
127   BasicBlock *OldEntry = 0;
128   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
129   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
130   bool MadeChange = false;
131
132   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
133
134   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
135   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
136   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
137   // doesn't).
138   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
139
140   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
141   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
142   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
143     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
144       break;
145
146     FunctionContainsEscapingAllocas |=
147       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
148   }
149   
150   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
151   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
152   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
153   /// happen.  This bug is PR962.
154   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
155     return false;
156   
157
158   // Second pass, change any tail calls to loops.
159   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
160     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
161       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
162                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
163
164   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
165   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
166   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
167   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
168   // call.
169   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
170     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
171       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
172
173       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
174       if (Value *PNV = PN->hasConstantValue()) {
175         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
176         PN->eraseFromParent();
177       }
178     }
179   }
180
181   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
182   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
183   // them to access).
184   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
185     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
186       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
187         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
188           CI->setTailCall();
189
190   return MadeChange;
191 }
192
193
194 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
195 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
196 /// instructions between the call and this instruction are movable.
197 ///
198 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
199   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
200   // call does not mod/ref the memory location being processed.
201   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
202     return false;
203
204   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
205   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
206   // return value of the call, it must only use things that are defined before
207   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
208   // itself.
209   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
210     if (I->getOperand(i) == CI)
211       return false;
212   return true;
213 }
214
215 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
216 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
217 // function was executed.
218 //
219 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
220 // part of the recursion.
221 //
222 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI) {
223   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
224
225   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
226   // will be available to initialize the accumulator.
227   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
228     // Figure out which argument number this is...
229     unsigned ArgNo = 0;
230     Function *F = CI->getParent()->getParent();
231     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
232       ++ArgNo;
233
234     // If we are passing this argument into call as the corresponding
235     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
236     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
237     if (CI->getOperand(ArgNo+1) == Arg)
238       return true;
239   }
240   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
241   return false;
242 }
243
244 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
245 // return instruction and tail call consistently returns the same
246 // runtime-constant value at all exit points.  If so, return the returned value.
247 //
248 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *TheRI, CallInst *CI) {
249   Function *F = TheRI->getParent()->getParent();
250   Value *ReturnedValue = 0;
251
252   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
253     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
254       if (RI != TheRI) {
255         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
256
257         // We can only perform this transformation if the value returned is
258         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
259         // instead of at the end of the evaluation.
260         //
261         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI))
262           return 0;
263
264         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
265           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
266         ReturnedValue = RetOp;
267       }
268   return ReturnedValue;
269 }
270
271 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
272 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
273 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
274 ///
275 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
276                                                       CallInst *CI) {
277   if (!I->isAssociative()) return 0;
278   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
279          "Associative operations should have 2 args!");
280
281   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
282   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
283       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
284     return 0;
285
286   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
287   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
288     return 0;
289
290   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
291   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
292   // transform the function safely.
293   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
294 }
295
296 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
297                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
298                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs,
299                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
300   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
301   Function *F = BB->getParent();
302
303   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
304     return false;
305   
306   // If the return is in the entry block, then making this transformation would
307   // turn infinite recursion into an infinite loop.  This transformation is ok
308   // in theory, but breaks some code like:
309   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
310   // disable this xform in this case, because the code generator will lower the
311   // call to fabs into inline code.
312   if (BB == &F->getEntryBlock())
313     return false;
314
315   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
316   // this block.  If so, set CI to it.
317   CallInst *CI;
318   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
319   while (1) {
320     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
321     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
322       break;
323
324     if (BBI == BB->begin())
325       return false;          // Didn't find a potential tail call.
326     --BBI;
327   }
328
329   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
330   // the function, we cannot perform this optimization.
331   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
332     return false;
333
334   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
335   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
336   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
337   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
338   // elimination.
339   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
340   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
341
342   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
343   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
344   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
345   // Check that this is the case now.
346   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
347     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
348       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
349       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
350       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
351       // remember the initial accumulator value for later.
352       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
353                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
354         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
355         // accumulates.
356         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
357       } else {
358         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
359       }
360     }
361
362   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
363   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
364   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
365   // accumulator recursion variable eliminated.
366   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
367       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
368       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
369       !getCommonReturnValue(Ret, CI))
370     return false;
371
372   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
373   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
374   if (OldEntry == 0) {
375     OldEntry = &F->getEntryBlock();
376     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock("", F, OldEntry);
377     NewEntry->takeName(OldEntry);
378     OldEntry->setName("tailrecurse");
379     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
380
381     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
382     // entry block, move them up to the new entry block.
383     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
384     if (TailCallsAreMarkedTail)
385       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
386       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
387              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
388         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
389           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
390             AI->moveBefore(NEBI);
391
392     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
393     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
394     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
395     // which are passed in.
396     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
397     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
398          I != E; ++I) {
399       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
400       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
401       PN->addIncoming(I, NewEntry);
402       ArgumentPHIs.push_back(PN);
403     }
404   }
405
406   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
407   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
408   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
409   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
410   // slightly better here in the case that the function has no entry block
411   // allocas.
412   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
413     return false;
414
415   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
416   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
417   // parameters passed into the tail-recursive call.
418   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
419     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
420
421   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
422   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
423   // eliminations will happen on this function because of the way the
424   // accumulator recursion predicate is set up.
425   //
426   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
427     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
428     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
429     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
430                                  OldEntry->begin());
431
432     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
433     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
434     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
435     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
436     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
437     // it will not show up as a predecessor.
438     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
439          PI != PE; ++PI) {
440       if (*PI == &F->getEntryBlock())
441         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
442       else
443         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
444     }
445
446     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
447     // associative accumulator instruction.
448     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
449
450     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
451     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
452     // inserted.
453     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
454
455     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
456     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
457     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
458     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
459       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
460         RI->setOperand(0, AccPN);
461     ++NumAccumAdded;
462   }
463
464   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
465   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
466   new BranchInst(OldEntry, Ret);
467   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
468   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
469   ++NumEliminated;
470   return true;
471 }