97e53e23d2abedcd9934fb6e1a5feb3556e3b874
[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 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 static RegisterPass<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
91
92 // Public interface to the TailCallElimination pass
93 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
94   return new TailCallElim();
95 }
96
97 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
98 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
99 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
100 /// call sites if desired.
101 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
102   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
103   return true;
104 }
105
106 /// CheckForEscapingAllocas - Scan the specified basic block for alloca
107 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
108 /// true.
109 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
110                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
111   bool RetVal = false;
112   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
113     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
114       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
115
116       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
117       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
118       // with this mechanism.
119       if (BB != &BB->getParent()->getEntryBlock() ||
120           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
121         CannotTCETailMarkedCall = true;
122     }
123   return RetVal;
124 }
125
126 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
127   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
128   // right, so don't even try to convert it...
129   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
130
131   BasicBlock *OldEntry = 0;
132   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
133   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
134   bool MadeChange = false;
135
136   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
137
138   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
139   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
140   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
141   // doesn't).
142   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
143
144   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
145   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
146   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
147     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
148       break;
149
150     FunctionContainsEscapingAllocas |=
151       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
152   }
153   
154   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
155   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
156   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
157   /// happen.  This bug is PR962.
158   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
159     return false;
160
161   // Second pass, change any tail calls to loops.
162   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
163     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
164       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
165                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
166
167   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
168   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
169   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
170   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
171   // call.
172   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
173     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
174       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
175
176       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
177       if (Value *PNV = PN->hasConstantValue()) {
178         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
179         PN->eraseFromParent();
180       }
181     }
182   }
183
184   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
185   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
186   // them to access).
187   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
188     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
189       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
190         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
191           CI->setTailCall();
192           MadeChange = true;
193         }
194
195   return MadeChange;
196 }
197
198
199 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
200 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
201 /// instructions between the call and this instruction are movable.
202 ///
203 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
204   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
205   // call does not mod/ref the memory location being processed.
206   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
207     return false;
208   
209   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
210     // Loads may always be moved above calls without side effects.
211     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
212       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
213       // does not write to memory and the load provably won't trap.
214       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
215       // being loaded from.
216       if (CI->mayWriteToMemory() ||
217           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
218                                        L->getAlignment()))
219         return false;
220     }
221   }
222
223   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
224   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
225   // return value of the call, it must only use things that are defined before
226   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
227   // itself.
228   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
229     if (I->getOperand(i) == CI)
230       return false;
231   return true;
232 }
233
234 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
235 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
236 // function was executed.
237 //
238 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
239 // part of the recursion.
240 //
241 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
242   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
243
244   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
245   // will be available to initialize the accumulator.
246   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
247     // Figure out which argument number this is...
248     unsigned ArgNo = 0;
249     Function *F = CI->getParent()->getParent();
250     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
251       ++ArgNo;
252
253     // If we are passing this argument into call as the corresponding
254     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
255     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
256     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
257       return true;
258   }
259
260   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
261   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
262   // effectively constant.
263   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
264     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
265       if (SI->getCondition() == V)
266         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
267
268   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
269   return false;
270 }
271
272 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
273 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
274 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
275 //
276 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
277   Function *F = CI->getParent()->getParent();
278   Value *ReturnedValue = 0;
279
280   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
281     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
282       if (RI != IgnoreRI) {
283         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
284
285         // We can only perform this transformation if the value returned is
286         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
287         // instead of at the end of the evaluation.
288         //
289         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
290           return 0;
291
292         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
293           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
294         ReturnedValue = RetOp;
295       }
296   return ReturnedValue;
297 }
298
299 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
300 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
301 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
302 ///
303 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
304                                                       CallInst *CI) {
305   if (!I->isAssociative()) return 0;
306   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
307          "Associative operations should have 2 args!");
308
309   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
310   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
311       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
312     return 0;
313
314   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
315   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
316     return 0;
317
318   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
319   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
320   // transform the function safely.
321   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
322 }
323
324 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
325                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
326                                          SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
327                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
328   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
329   Function *F = BB->getParent();
330
331   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
332     return false;
333   
334   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
335   // this block.  If so, set CI to it.
336   CallInst *CI;
337   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
338   while (1) {
339     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
340     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
341       break;
342
343     if (BBI == BB->begin())
344       return false;          // Didn't find a potential tail call.
345     --BBI;
346   }
347
348   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
349   // the function, we cannot perform this optimization.
350   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
351     return false;
352
353   // As a special case, detect code like this:
354   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
355   // and disable this xform in this case, because the code generator will
356   // lower the call to fabs into inline code.
357   if (BB == &F->getEntryBlock() && 
358       &BB->front() == CI && &*++BB->begin() == Ret &&
359       callIsSmall(F)) {
360     // A single-block function with just a call and a return. Check that
361     // the arguments match.
362     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
363                            E = CallSite(CI).arg_end();
364     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
365                            FE = F->arg_end();
366     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
367       if (*I != &*FI) break;
368     if (I == E && FI == FE)
369       return false;
370   }
371
372   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
373   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
374   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
375   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
376   // elimination.
377   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
378   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
379
380   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
381   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
382   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
383   // Check that this is the case now.
384   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
385     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
386       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
387       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
388       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
389       // remember the initial accumulator value for later.
390       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
391                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
392         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
393         // accumulates.
394         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
395       } else {
396         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
397       }
398     }
399
400   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
401   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
402   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
403   // accumulator recursion variable eliminated.
404   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
405       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
406       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
407       !getCommonReturnValue(0, CI))
408     return false;
409
410   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
411   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
412   if (OldEntry == 0) {
413     OldEntry = &F->getEntryBlock();
414     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
415     NewEntry->takeName(OldEntry);
416     OldEntry->setName("tailrecurse");
417     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
418
419     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
420     // entry block, move them up to the new entry block.
421     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
422     if (TailCallsAreMarkedTail)
423       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
424       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
425              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
426         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
427           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
428             AI->moveBefore(NEBI);
429
430     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
431     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
432     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
433     // which are passed in.
434     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
435     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
436          I != E; ++I) {
437       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(),
438                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
439       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
440       PN->addIncoming(I, NewEntry);
441       ArgumentPHIs.push_back(PN);
442     }
443   }
444
445   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
446   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
447   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
448   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
449   // slightly better here in the case that the function has no entry block
450   // allocas.
451   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
452     return false;
453
454   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
455   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
456   // parameters passed into the tail-recursive call.
457   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
458     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
459
460   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
461   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
462   // eliminations will happen on this function because of the way the
463   // accumulator recursion predicate is set up.
464   //
465   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
466     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
467     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
468     PHINode *AccPN = PHINode::Create(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
469                                      OldEntry->begin());
470
471     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
472     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
473     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
474     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
475     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
476     // it will not show up as a predecessor.
477     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
478          PI != PE; ++PI) {
479       if (*PI == &F->getEntryBlock())
480         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
481       else
482         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
483     }
484
485     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
486     // associative accumulator instruction.
487     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
488
489     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
490     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
491     // inserted.
492     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
493
494     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
495     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
496     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
497     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
498       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
499         RI->setOperand(0, AccPN);
500     ++NumAccumAdded;
501   }
502
503   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
504   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
505   BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
506   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
507   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
508   ++NumEliminated;
509   return true;
510 }