Revert "TRE: make TRE a bit more aggressive"
[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 precedes 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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
54 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
55 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
56 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
57 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
58 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
59 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
60 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
61 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
62 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
63 #include "llvm/IR/CFG.h"
64 #include "llvm/IR/CallSite.h"
65 #include "llvm/IR/Constants.h"
66 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
67 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
68 #include "llvm/IR/Function.h"
69 #include "llvm/IR/Instructions.h"
70 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
71 #include "llvm/IR/Module.h"
72 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
73 #include "llvm/Pass.h"
74 #include "llvm/Support/Debug.h"
75 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
76 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
77 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
78 using namespace llvm;
79
80 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
81
82 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
83 STATISTIC(NumRetDuped,   "Number of return duplicated");
84 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
85
86 namespace {
87   struct TailCallElim : public FunctionPass {
88     const TargetTransformInfo *TTI;
89
90     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
91     TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
92       initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
93     }
94
95     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
96
97     bool runOnFunction(Function &F) override;
98
99   private:
100     bool runTRE(Function &F);
101     bool markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls);
102
103     CallInst *FindTRECandidate(Instruction *I,
104                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
105     bool EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
106                                     BasicBlock *&OldEntry,
107                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
108                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
109                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
110     bool FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
111                                   ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
112                                   bool &TailCallsAreMarkedTail,
113                                   SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
114                                   bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
115     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
116                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
117                                SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
118                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
119     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
120     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
121   };
122 }
123
124 char TailCallElim::ID = 0;
125 INITIALIZE_PASS_BEGIN(TailCallElim, "tailcallelim",
126                       "Tail Call Elimination", false, false)
127 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
128 INITIALIZE_PASS_END(TailCallElim, "tailcallelim",
129                     "Tail Call Elimination", false, false)
130
131 // Public interface to the TailCallElimination pass
132 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
133   return new TailCallElim();
134 }
135
136 void TailCallElim::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
137   AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
138 }
139
140 /// \brief Scan the specified function for alloca instructions.
141 /// If it contains any dynamic allocas, returns false.
142 static bool CanTRE(Function &F) {
143   // Because of PR962, we don't TRE dynamic allocas.
144   for (auto &BB : F) {
145     for (auto &I : BB) {
146       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I)) {
147         if (!AI->isStaticAlloca())
148           return false;
149       }
150     }
151   }
152
153   return true;
154 }
155
156 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
157   if (skipOptnoneFunction(F))
158     return false;
159
160   bool AllCallsAreTailCalls = false;
161   bool Modified = markTails(F, AllCallsAreTailCalls);
162   if (AllCallsAreTailCalls)
163     Modified |= runTRE(F);
164   return Modified;
165 }
166
167 namespace {
168 struct AllocaDerivedValueTracker {
169   // Start at a root value and walk its use-def chain to mark calls that use the
170   // value or a derived value in AllocaUsers, and places where it may escape in
171   // EscapePoints.
172   void walk(Value *Root) {
173     SmallVector<Use *, 32> Worklist;
174     SmallPtrSet<Use *, 32> Visited;
175
176     auto AddUsesToWorklist = [&](Value *V) {
177       for (auto &U : V->uses()) {
178         if (!Visited.insert(&U))
179           continue;
180         Worklist.push_back(&U);
181       }
182     };
183
184     AddUsesToWorklist(Root);
185
186     while (!Worklist.empty()) {
187       Use *U = Worklist.pop_back_val();
188       Instruction *I = cast<Instruction>(U->getUser());
189
190       switch (I->getOpcode()) {
191       case Instruction::Call:
192       case Instruction::Invoke: {
193         CallSite CS(I);
194         bool IsNocapture = !CS.isCallee(U) &&
195                            CS.doesNotCapture(CS.getArgumentNo(U));
196         callUsesLocalStack(CS, IsNocapture);
197         if (IsNocapture) {
198           // If the alloca-derived argument is passed in as nocapture, then it
199           // can't propagate to the call's return. That would be capturing.
200           continue;
201         }
202         break;
203       }
204       case Instruction::Load: {
205         // The result of a load is not alloca-derived (unless an alloca has
206         // otherwise escaped, but this is a local analysis).
207         continue;
208       }
209       case Instruction::Store: {
210         if (U->getOperandNo() == 0)
211           EscapePoints.insert(I);
212         continue;  // Stores have no users to analyze.
213       }
214       case Instruction::BitCast:
215       case Instruction::GetElementPtr:
216       case Instruction::PHI:
217       case Instruction::Select:
218       case Instruction::AddrSpaceCast:
219         break;
220       default:
221         EscapePoints.insert(I);
222         break;
223       }
224
225       AddUsesToWorklist(I);
226     }
227   }
228
229   void callUsesLocalStack(CallSite CS, bool IsNocapture) {
230     // Add it to the list of alloca users.
231     AllocaUsers.insert(CS.getInstruction());
232
233     // If it's nocapture then it can't capture this alloca.
234     if (IsNocapture)
235       return;
236
237     // If it can write to memory, it can leak the alloca value.
238     if (!CS.onlyReadsMemory())
239       EscapePoints.insert(CS.getInstruction());
240   }
241
242   SmallPtrSet<Instruction *, 32> AllocaUsers;
243   SmallPtrSet<Instruction *, 32> EscapePoints;
244 };
245 }
246
247 bool TailCallElim::markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls) {
248   if (F.callsFunctionThatReturnsTwice())
249     return false;
250   AllCallsAreTailCalls = true;
251
252   // The local stack holds all alloca instructions and all byval arguments.
253   AllocaDerivedValueTracker Tracker;
254   for (Argument &Arg : F.args()) {
255     if (Arg.hasByValAttr())
256       Tracker.walk(&Arg);
257   }
258   for (auto &BB : F) {
259     for (auto &I : BB)
260       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I))
261         Tracker.walk(AI);
262   }
263
264   bool Modified = false;
265
266   // Track whether a block is reachable after an alloca has escaped. Blocks that
267   // contain the escaping instruction will be marked as being visited without an
268   // escaped alloca, since that is how the block began.
269   enum VisitType {
270     UNVISITED,
271     UNESCAPED,
272     ESCAPED
273   };
274   DenseMap<BasicBlock *, VisitType> Visited;
275
276   // We propagate the fact that an alloca has escaped from block to successor.
277   // Visit the blocks that are propagating the escapedness first. To do this, we
278   // maintain two worklists.
279   SmallVector<BasicBlock *, 32> WorklistUnescaped, WorklistEscaped;
280
281   // We may enter a block and visit it thinking that no alloca has escaped yet,
282   // then see an escape point and go back around a loop edge and come back to
283   // the same block twice. Because of this, we defer setting tail on calls when
284   // we first encounter them in a block. Every entry in this list does not
285   // statically use an alloca via use-def chain analysis, but may find an alloca
286   // through other means if the block turns out to be reachable after an escape
287   // point.
288   SmallVector<CallInst *, 32> DeferredTails;
289
290   BasicBlock *BB = &F.getEntryBlock();
291   VisitType Escaped = UNESCAPED;
292   do {
293     for (auto &I : *BB) {
294       if (Tracker.EscapePoints.count(&I))
295         Escaped = ESCAPED;
296
297       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
298       if (!CI || CI->isTailCall())
299         continue;
300
301       if (CI->doesNotAccessMemory()) {
302         // A call to a readnone function whose arguments are all things computed
303         // outside this function can be marked tail. Even if you stored the
304         // alloca address into a global, a readnone function can't load the
305         // global anyhow.
306         //
307         // Note that this runs whether we know an alloca has escaped or not. If
308         // it has, then we can't trust Tracker.AllocaUsers to be accurate.
309         bool SafeToTail = true;
310         for (auto &Arg : CI->arg_operands()) {
311           if (isa<Constant>(Arg.getUser()))
312             continue;
313           if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(Arg.getUser()))
314             if (!A->hasByValAttr())
315               continue;
316           SafeToTail = false;
317           break;
318         }
319         if (SafeToTail) {
320           emitOptimizationRemark(
321               F.getContext(), "tailcallelim", F, CI->getDebugLoc(),
322               "marked this readnone call a tail call candidate");
323           CI->setTailCall();
324           Modified = true;
325           continue;
326         }
327       }
328
329       if (Escaped == UNESCAPED && !Tracker.AllocaUsers.count(CI)) {
330         DeferredTails.push_back(CI);
331       } else {
332         AllCallsAreTailCalls = false;
333       }
334     }
335
336     for (auto *SuccBB : make_range(succ_begin(BB), succ_end(BB))) {
337       auto &State = Visited[SuccBB];
338       if (State < Escaped) {
339         State = Escaped;
340         if (State == ESCAPED)
341           WorklistEscaped.push_back(SuccBB);
342         else
343           WorklistUnescaped.push_back(SuccBB);
344       }
345     }
346
347     if (!WorklistEscaped.empty()) {
348       BB = WorklistEscaped.pop_back_val();
349       Escaped = ESCAPED;
350     } else {
351       BB = nullptr;
352       while (!WorklistUnescaped.empty()) {
353         auto *NextBB = WorklistUnescaped.pop_back_val();
354         if (Visited[NextBB] == UNESCAPED) {
355           BB = NextBB;
356           Escaped = UNESCAPED;
357           break;
358         }
359       }
360     }
361   } while (BB);
362
363   for (CallInst *CI : DeferredTails) {
364     if (Visited[CI->getParent()] != ESCAPED) {
365       // If the escape point was part way through the block, calls after the
366       // escape point wouldn't have been put into DeferredTails.
367       emitOptimizationRemark(F.getContext(), "tailcallelim", F,
368                              CI->getDebugLoc(),
369                              "marked this call a tail call candidate");
370       CI->setTailCall();
371       Modified = true;
372     } else {
373       AllCallsAreTailCalls = false;
374     }
375   }
376
377   return Modified;
378 }
379
380 bool TailCallElim::runTRE(Function &F) {
381   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
382   // right, so don't even try to convert it...
383   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
384
385   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
386   BasicBlock *OldEntry = nullptr;
387   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
388   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
389   bool MadeChange = false;
390
391   // CanTRETailMarkedCall - If false, we cannot perform TRE on tail calls
392   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
393   // size to increase (real TRE would deallocate variable sized allocas, TRE
394   // doesn't).
395   bool CanTRETailMarkedCall = CanTRE(F);
396
397   // Change any tail recursive calls to loops.
398   //
399   // FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
400   // alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
401   // Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
402   // happen.  This bug is PR962.
403   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
404     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator())) {
405       bool Change = ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
406                                           ArgumentPHIs, !CanTRETailMarkedCall);
407       if (!Change && BB->getFirstNonPHIOrDbg() == Ret)
408         Change = FoldReturnAndProcessPred(BB, Ret, OldEntry,
409                                           TailCallsAreMarkedTail, ArgumentPHIs,
410                                           !CanTRETailMarkedCall);
411       MadeChange |= Change;
412     }
413   }
414
415   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
416   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
417   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
418   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
419   // call.
420   for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
421     PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
422
423     // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
424     if (Value *PNV = SimplifyInstruction(PN)) {
425       PN->replaceAllUsesWith(PNV);
426       PN->eraseFromParent();
427     }
428   }
429
430   return MadeChange;
431 }
432
433
434 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
435 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
436 /// instructions between the call and this instruction are movable.
437 ///
438 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
439   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
440   // call does not mod/ref the memory location being processed.
441   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
442     return false;
443
444   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
445     // Loads may always be moved above calls without side effects.
446     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
447       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
448       // does not write to memory and the load provably won't trap.
449       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
450       // being loaded from.
451       if (CI->mayWriteToMemory() ||
452           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
453                                        L->getAlignment()))
454         return false;
455     }
456   }
457
458   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
459   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
460   // return value of the call, it must only use things that are defined before
461   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
462   // itself.
463   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
464     if (I->getOperand(i) == CI)
465       return false;
466   return true;
467 }
468
469 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
470 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
471 // function was executed.
472 //
473 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
474 // part of the recursion.
475 //
476 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
477   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
478
479   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
480   // will be available to initialize the accumulator.
481   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
482     // Figure out which argument number this is...
483     unsigned ArgNo = 0;
484     Function *F = CI->getParent()->getParent();
485     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
486       ++ArgNo;
487
488     // If we are passing this argument into call as the corresponding
489     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
490     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
491     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
492       return true;
493   }
494
495   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
496   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
497   // effectively constant.
498   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
499     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
500       if (SI->getCondition() == V)
501         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
502
503   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
504   return false;
505 }
506
507 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
508 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
509 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
510 //
511 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
512   Function *F = CI->getParent()->getParent();
513   Value *ReturnedValue = nullptr;
514
515   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI) {
516     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator());
517     if (RI == nullptr || RI == IgnoreRI) continue;
518
519     // We can only perform this transformation if the value returned is
520     // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
521     // instead of at the end of the evaluation.
522     //
523     Value *RetOp = RI->getOperand(0);
524     if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
525       return nullptr;
526
527     if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
528       return nullptr;     // Cannot transform if differing values are returned.
529     ReturnedValue = RetOp;
530   }
531   return ReturnedValue;
532 }
533
534 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
535 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
536 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
537 ///
538 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
539                                                       CallInst *CI) {
540   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return nullptr;
541   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
542          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
543
544   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
545   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
546       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
547     return nullptr;
548
549   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
550   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->user_back()))
551     return nullptr;
552
553   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
554   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
555   // transform the function safely.
556   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->user_back()), CI);
557 }
558
559 static Instruction *FirstNonDbg(BasicBlock::iterator I) {
560   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
561     ++I;
562   return &*I;
563 }
564
565 CallInst*
566 TailCallElim::FindTRECandidate(Instruction *TI,
567                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
568   BasicBlock *BB = TI->getParent();
569   Function *F = BB->getParent();
570
571   if (&BB->front() == TI) // Make sure there is something before the terminator.
572     return nullptr;
573
574   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
575   // this block.  If so, set CI to it.
576   CallInst *CI = nullptr;
577   BasicBlock::iterator BBI = TI;
578   while (true) {
579     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
580     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
581       break;
582
583     if (BBI == BB->begin())
584       return nullptr;          // Didn't find a potential tail call.
585     --BBI;
586   }
587
588   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
589   // the function, we cannot perform this optimization.
590   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
591     return nullptr;
592
593   // As a special case, detect code like this:
594   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
595   // and disable this xform in this case, because the code generator will
596   // lower the call to fabs into inline code.
597   if (BB == &F->getEntryBlock() &&
598       FirstNonDbg(BB->front()) == CI &&
599       FirstNonDbg(std::next(BB->begin())) == TI &&
600       CI->getCalledFunction() &&
601       !TTI->isLoweredToCall(CI->getCalledFunction())) {
602     // A single-block function with just a call and a return. Check that
603     // the arguments match.
604     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
605                            E = CallSite(CI).arg_end();
606     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
607                            FE = F->arg_end();
608     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
609       if (*I != &*FI) break;
610     if (I == E && FI == FE)
611       return nullptr;
612   }
613
614   return CI;
615 }
616
617 bool TailCallElim::EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
618                                        BasicBlock *&OldEntry,
619                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
620                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
621                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
622   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
623   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
624   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
625   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
626   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
627   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
628   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
629   // which is different to the constant returned by other return instructions
630   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
631   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
632   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = nullptr;
633   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = nullptr;
634
635   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
636   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
637   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
638   // Check that this is the case now.
639   BasicBlock::iterator BBI = CI;
640   for (++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
641     if (CanMoveAboveCall(BBI, CI)) continue;
642
643     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
644     // is an associative and commutative operation that could be transformed
645     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
646     // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
647     if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
648                            CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
649       // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
650       // accumulates.
651       AccumulatorRecursionInstr = BBI;
652     } else {
653       return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
654     }
655   }
656
657   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
658   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
659   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
660   // accumulator recursion variable eliminated.
661   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
662       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
663       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == nullptr &&
664       !getCommonReturnValue(nullptr, CI)) {
665     // One case remains that we are able to handle: the current return
666     // instruction returns a constant, and all other return instructions
667     // return a different constant.
668     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
669       return false; // Current return instruction does not return a constant.
670     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
671     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
672     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
673     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
674       return false;
675   }
676
677   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
678   Function *F = BB->getParent();
679
680   emitOptimizationRemark(F->getContext(), "tailcallelim", *F, CI->getDebugLoc(),
681                          "transforming tail recursion to loop");
682
683   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
684   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
685   if (!OldEntry) {
686     OldEntry = &F->getEntryBlock();
687     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
688     NewEntry->takeName(OldEntry);
689     OldEntry->setName("tailrecurse");
690     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
691
692     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
693     // entry block, move them up to the new entry block.
694     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
695     if (TailCallsAreMarkedTail)
696       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
697       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
698              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
699         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
700           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
701             AI->moveBefore(NEBI);
702
703     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
704     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
705     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
706     // which are passed in.
707     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
708     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
709          I != E; ++I) {
710       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(), 2,
711                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
712       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
713       PN->addIncoming(I, NewEntry);
714       ArgumentPHIs.push_back(PN);
715     }
716   }
717
718   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
719   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
720   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
721   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
722   // slightly better here in the case that the function has no entry block
723   // allocas.
724   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
725     return false;
726
727   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
728   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
729   // parameters passed into the tail-recursive call.
730   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
731     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
732
733   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
734   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
735   // eliminations will happen on this function because of the way the
736   // accumulator recursion predicate is set up.
737   //
738   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
739     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
740     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
741     pred_iterator PB = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
742     PHINode *AccPN =
743       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
744                       std::distance(PB, PE) + 1,
745                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
746
747     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
748     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
749     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
750     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
751     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
752     // it will not show up as a predecessor.
753     for (pred_iterator PI = PB; PI != PE; ++PI) {
754       BasicBlock *P = *PI;
755       if (P == &F->getEntryBlock())
756         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
757       else
758         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
759     }
760
761     if (AccRecInstr) {
762       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
763       // our associative and commutative accumulator instruction.
764       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
765
766       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
767       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
768       // inserted.
769       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
770     } else {
771       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
772       // constant returned by the current return instruction.
773       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
774     }
775
776     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
777     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
778     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
779     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
780       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
781         RI->setOperand(0, AccPN);
782     ++NumAccumAdded;
783   }
784
785   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
786   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
787   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
788   NewBI->setDebugLoc(CI->getDebugLoc());
789
790   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
791   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
792   ++NumEliminated;
793   return true;
794 }
795
796 bool TailCallElim::FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
797                                        ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
798                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
799                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
800                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
801   bool Change = false;
802
803   // If the return block contains nothing but the return and PHI's,
804   // there might be an opportunity to duplicate the return in its
805   // predecessors and perform TRC there. Look for predecessors that end
806   // in unconditional branch and recursive call(s).
807   SmallVector<BranchInst*, 8> UncondBranchPreds;
808   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
809     BasicBlock *Pred = *PI;
810     TerminatorInst *PTI = Pred->getTerminator();
811     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(PTI))
812       if (BI->isUnconditional())
813         UncondBranchPreds.push_back(BI);
814   }
815
816   while (!UncondBranchPreds.empty()) {
817     BranchInst *BI = UncondBranchPreds.pop_back_val();
818     BasicBlock *Pred = BI->getParent();
819     if (CallInst *CI = FindTRECandidate(BI, CannotTailCallElimCallsMarkedTail)){
820       DEBUG(dbgs() << "FOLDING: " << *BB
821             << "INTO UNCOND BRANCH PRED: " << *Pred);
822       EliminateRecursiveTailCall(CI, FoldReturnIntoUncondBranch(Ret, BB, Pred),
823                                  OldEntry, TailCallsAreMarkedTail, ArgumentPHIs,
824                                  CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
825       ++NumRetDuped;
826       Change = true;
827     }
828   }
829
830   return Change;
831 }
832
833 bool
834 TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
835                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
836                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
837                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
838   CallInst *CI = FindTRECandidate(Ret, CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
839   if (!CI)
840     return false;
841
842   return EliminateRecursiveTailCall(CI, Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
843                                     ArgumentPHIs,
844                                     CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
845 }