Fix batch of converting RegisterPass<> to INTIALIZE_PASS().
[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 and commutative expression to use an
20 //     accumulator variable, thus compiling the typical naive factorial or
21 //     'fib' implementation into 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 their 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/Transforms/Utils/Local.h"
56 #include "llvm/Constants.h"
57 #include "llvm/DerivedTypes.h"
58 #include "llvm/Function.h"
59 #include "llvm/Instructions.h"
60 #include "llvm/Pass.h"
61 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
62 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
63 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
64 #include "llvm/Support/CallSite.h"
65 #include "llvm/Support/CFG.h"
66 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
67 using namespace llvm;
68
69 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
70 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
71
72 namespace {
73   struct TailCallElim : public FunctionPass {
74     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
75     TailCallElim() : FunctionPass(&ID) {}
76
77     virtual bool runOnFunction(Function &F);
78
79   private:
80     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
81                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
82                                SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
83                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
84     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
85     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
86   };
87 }
88
89 char TailCallElim::ID = 0;
90 INITIALIZE_PASS(TailCallElim, "tailcallelim",
91                 "Tail Call Elimination", false, false);
92
93 // Public interface to the TailCallElimination pass
94 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
95   return new TailCallElim();
96 }
97
98 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
99 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
100 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
101 /// call sites if desired.
102 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
103   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
104   return true;
105 }
106
107 /// CheckForEscapingAllocas - Scan the specified basic block for alloca
108 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
109 /// true.
110 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
111                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
112   bool RetVal = false;
113   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
114     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
115       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
116
117       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
118       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
119       // with this mechanism.
120       if (BB != &BB->getParent()->getEntryBlock() ||
121           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
122         CannotTCETailMarkedCall = true;
123     }
124   return RetVal;
125 }
126
127 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
128   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
129   // right, so don't even try to convert it...
130   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
131
132   BasicBlock *OldEntry = 0;
133   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
134   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
135   bool MadeChange = false;
136
137   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
138
139   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
140   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
141   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
142   // doesn't).
143   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
144
145   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
146   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
147   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
148     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
149       break;
150
151     FunctionContainsEscapingAllocas |=
152       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
153   }
154   
155   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
156   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
157   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
158   /// happen.  This bug is PR962.
159   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
160     return false;
161
162   // Second pass, change any tail calls to loops.
163   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
164     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
165       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
166                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
167
168   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
169   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
170   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
171   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
172   // call.
173   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
174     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
175       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
176
177       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
178       if (Value *PNV = PN->hasConstantValue()) {
179         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
180         PN->eraseFromParent();
181       }
182     }
183   }
184
185   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
186   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
187   // them to access).
188   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
189     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
190       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
191         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
192           CI->setTailCall();
193           MadeChange = true;
194         }
195
196   return MadeChange;
197 }
198
199
200 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
201 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
202 /// instructions between the call and this instruction are movable.
203 ///
204 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
205   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
206   // call does not mod/ref the memory location being processed.
207   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
208     return false;
209   
210   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
211     // Loads may always be moved above calls without side effects.
212     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
213       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
214       // does not write to memory and the load provably won't trap.
215       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
216       // being loaded from.
217       if (CI->mayWriteToMemory() ||
218           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
219                                        L->getAlignment()))
220         return false;
221     }
222   }
223
224   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
225   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
226   // return value of the call, it must only use things that are defined before
227   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
228   // itself.
229   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
230     if (I->getOperand(i) == CI)
231       return false;
232   return true;
233 }
234
235 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
236 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
237 // function was executed.
238 //
239 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
240 // part of the recursion.
241 //
242 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
243   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
244
245   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
246   // will be available to initialize the accumulator.
247   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
248     // Figure out which argument number this is...
249     unsigned ArgNo = 0;
250     Function *F = CI->getParent()->getParent();
251     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
252       ++ArgNo;
253
254     // If we are passing this argument into call as the corresponding
255     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
256     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
257     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
258       return true;
259   }
260
261   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
262   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
263   // effectively constant.
264   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
265     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
266       if (SI->getCondition() == V)
267         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
268
269   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
270   return false;
271 }
272
273 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
274 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
275 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
276 //
277 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
278   Function *F = CI->getParent()->getParent();
279   Value *ReturnedValue = 0;
280
281   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
282     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
283       if (RI != IgnoreRI) {
284         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
285
286         // We can only perform this transformation if the value returned is
287         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
288         // instead of at the end of the evaluation.
289         //
290         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
291           return 0;
292
293         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
294           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
295         ReturnedValue = RetOp;
296       }
297   return ReturnedValue;
298 }
299
300 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
301 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
302 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
303 ///
304 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
305                                                       CallInst *CI) {
306   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return 0;
307   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
308          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
309
310   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
311   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
312       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
313     return 0;
314
315   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
316   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
317     return 0;
318
319   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
320   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
321   // transform the function safely.
322   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
323 }
324
325 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
326                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
327                                          SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
328                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
329   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
330   Function *F = BB->getParent();
331
332   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
333     return false;
334   
335   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
336   // this block.  If so, set CI to it.
337   CallInst *CI;
338   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
339   while (1) {
340     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
341     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
342       break;
343
344     if (BBI == BB->begin())
345       return false;          // Didn't find a potential tail call.
346     --BBI;
347   }
348
349   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
350   // the function, we cannot perform this optimization.
351   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
352     return false;
353
354   // As a special case, detect code like this:
355   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
356   // and disable this xform in this case, because the code generator will
357   // lower the call to fabs into inline code.
358   if (BB == &F->getEntryBlock() && 
359       &BB->front() == CI && &*++BB->begin() == Ret &&
360       callIsSmall(F)) {
361     // A single-block function with just a call and a return. Check that
362     // the arguments match.
363     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
364                            E = CallSite(CI).arg_end();
365     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
366                            FE = F->arg_end();
367     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
368       if (*I != &*FI) break;
369     if (I == E && FI == FE)
370       return false;
371   }
372
373   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
374   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
375   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
376   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
377   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
378   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
379   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
380   // which is different to the constant returned by other return instructions
381   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
382   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
383   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
384   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
385
386   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
387   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
388   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
389   // Check that this is the case now.
390   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
391     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
392       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
393       // is an associative and commutative operation that could be tranformed
394       // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
395       // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
396       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
397                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
398         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
399         // accumulates.
400         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
401       } else {
402         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
403       }
404     }
405
406   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
407   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
408   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
409   // accumulator recursion variable eliminated.
410   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
411       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
412       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
413       !getCommonReturnValue(0, CI)) {
414     // One case remains that we are able to handle: the current return
415     // instruction returns a constant, and all other return instructions
416     // return a different constant.
417     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
418       return false; // Current return instruction does not return a constant.
419     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
420     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
421     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
422     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
423       return false;
424   }
425
426   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
427   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
428   if (OldEntry == 0) {
429     OldEntry = &F->getEntryBlock();
430     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
431     NewEntry->takeName(OldEntry);
432     OldEntry->setName("tailrecurse");
433     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
434
435     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
436     // entry block, move them up to the new entry block.
437     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
438     if (TailCallsAreMarkedTail)
439       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
440       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
441              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
442         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
443           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
444             AI->moveBefore(NEBI);
445
446     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
447     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
448     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
449     // which are passed in.
450     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
451     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
452          I != E; ++I) {
453       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(),
454                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
455       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
456       PN->addIncoming(I, NewEntry);
457       ArgumentPHIs.push_back(PN);
458     }
459   }
460
461   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
462   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
463   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
464   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
465   // slightly better here in the case that the function has no entry block
466   // allocas.
467   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
468     return false;
469
470   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
471   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
472   // parameters passed into the tail-recursive call.
473   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
474     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
475
476   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
477   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
478   // eliminations will happen on this function because of the way the
479   // accumulator recursion predicate is set up.
480   //
481   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
482     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
483     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
484     PHINode *AccPN =
485       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
486                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
487
488     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
489     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
490     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
491     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
492     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
493     // it will not show up as a predecessor.
494     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
495          PI != PE; ++PI) {
496       BasicBlock *P = *PI;
497       if (P == &F->getEntryBlock())
498         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
499       else
500         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
501     }
502
503     if (AccRecInstr) {
504       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
505       // our associative and commutative accumulator instruction.
506       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
507
508       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
509       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
510       // inserted.
511       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
512     } else {
513       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
514       // constant returned by the current return instruction.
515       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
516     }
517
518     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
519     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
520     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
521     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
522       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
523         RI->setOperand(0, AccPN);
524     ++NumAccumAdded;
525   }
526
527   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
528   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
529   BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
530   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
531   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
532   ++NumEliminated;
533   return true;
534 }