Eliminate all remaining tabs and trailing spaces.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
54 #include "llvm/DerivedTypes.h"
55 #include "llvm/Function.h"
56 #include "llvm/Instructions.h"
57 #include "llvm/Pass.h"
58 #include "llvm/Support/CFG.h"
59 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
60 using namespace llvm;
61
62 namespace {
63   Statistic<> NumEliminated("tailcallelim", "Number of tail calls removed");
64   Statistic<> NumAccumAdded("tailcallelim","Number of accumulators introduced");
65
66   struct TailCallElim : public FunctionPass {
67     virtual bool runOnFunction(Function &F);
68
69   private:
70     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
71                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs);
72     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
73     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
74   };
75   RegisterOpt<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
76 }
77
78 // Public interface to the TailCallElimination pass
79 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
80   return new TailCallElim();
81 }
82
83
84 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
85 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
86 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
87 /// call sites if desired.
88 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
89   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
90   return true;
91 }
92
93 /// FunctionContainsAllocas - Scan the specified basic block for alloca
94 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
95 /// true.
96 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB) {
97   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
98     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
99       if (AllocaMightEscapeToCalls(AI))
100         return true;
101   return false;
102 }
103
104 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
105   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
106   // right, so don't even try to convert it...
107   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
108
109   BasicBlock *OldEntry = 0;
110   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
111   bool MadeChange = false;
112
113   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
114
115   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
116   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
117   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
118     if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
119       FunctionContainsEscapingAllocas = CheckForEscapingAllocas(BB);
120
121     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
122       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, ArgumentPHIs);
123   }
124
125   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
126   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
127   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
128   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
129   // call.
130   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
131     unsigned NumIncoming = ArgumentPHIs[0]->getNumIncomingValues();
132     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
133       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
134       Value *V = 0;
135       for (unsigned op = 0, e = NumIncoming; op != e; ++op) {
136         Value *Op = PN->getIncomingValue(op);
137         if (Op != PN) {
138           if (V == 0) {
139             V = Op;     // First value seen?
140           } else if (V != Op) {
141             V = 0;
142             break;
143           }
144         }
145       }
146
147       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
148       if (V) {
149         PN->replaceAllUsesWith(V);
150         PN->getParent()->getInstList().erase(PN);
151       }
152     }
153   }
154
155   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
156   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
157   // them to access).
158   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
159     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
160       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
161         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
162           CI->setTailCall();
163
164   return MadeChange;
165 }
166
167
168 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
169 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
170 /// instructions between the call and this instruction are movable.
171 ///
172 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
173   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
174   // call does not mod/ref the memory location being processed.
175   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
176     return false;
177
178   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
179   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
180   // return value of the call, it must only use things that are defined before
181   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
182   // itself.
183   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
184     if (I->getOperand(i) == CI)
185       return false;
186   return true;
187 }
188
189 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
190 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
191 // function was executed.
192 //
193 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
194 // part of the recursion.
195 //
196 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI) {
197   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
198
199   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
200   // will be available to initialize the accumulator.
201   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
202     // Figure out which argument number this is...
203     unsigned ArgNo = 0;
204     Function *F = CI->getParent()->getParent();
205     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
206       ++ArgNo;
207
208     // If we are passing this argument into call as the corresponding
209     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
210     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
211     if (CI->getOperand(ArgNo+1) == Arg)
212       return true;
213   }
214   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
215   return false;
216 }
217
218 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
219 // return instruction and tail call consistently returns the same
220 // runtime-constant value at all exit points.  If so, return the returned value.
221 //
222 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *TheRI, CallInst *CI) {
223   Function *F = TheRI->getParent()->getParent();
224   Value *ReturnedValue = 0;
225
226   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
227     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
228       if (RI != TheRI) {
229         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
230
231         // We can only perform this transformation if the value returned is
232         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
233         // instead of at the end of the evaluation.
234         //
235         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI))
236           return 0;
237
238         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
239           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
240         ReturnedValue = RetOp;
241       }
242   return ReturnedValue;
243 }
244
245 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
246 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
247 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
248 ///
249 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
250                                                       CallInst *CI) {
251   if (!I->isAssociative()) return 0;
252   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
253          "Associative operations should have 2 args!");
254
255   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
256   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
257       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
258     return 0;
259
260   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
261   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
262     return 0;
263
264   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
265   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
266   // transform the function safely.
267   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
268 }
269
270 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
271                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs) {
272   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
273   Function *F = BB->getParent();
274
275   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
276     return false;
277
278   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
279   // this block.  If so, set CI to it.
280   CallInst *CI;
281   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
282   while (1) {
283     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
284     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
285       break;
286
287     if (BBI == BB->begin())
288       return false;          // Didn't find a potential tail call.
289     --BBI;
290   }
291
292   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
293   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
294   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
295   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
296   // elimination.
297   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
298   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
299
300   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
301   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
302   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
303   // Check that this is the case now.
304   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
305     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
306       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
307       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
308       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
309       // remember the initial accumulator value for later.
310       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
311                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
312         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
313         // accumulates.
314         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
315       } else {
316         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
317       }
318     }
319
320   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
321   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
322   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
323   // accumulator recursion variable eliminated.
324   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
325       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
326       !getCommonReturnValue(Ret, CI))
327     return false;
328
329   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
330   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
331   if (OldEntry == 0) {
332     OldEntry = &F->getEntryBlock();
333     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
334     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, F, OldEntry);
335     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
336
337     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
338     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
339     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
340     // which are passed in.
341     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
342     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
343          I != E; ++I) {
344       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
345       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
346       PN->addIncoming(I, NewEntry);
347       ArgumentPHIs.push_back(PN);
348     }
349   }
350
351   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
352   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
353   // parameters passed into the tail-recursive call.
354   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
355     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
356
357   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
358   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
359   // eliminations will happen on this function because of the way the
360   // accumulator recursion predicate is set up.
361   //
362   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
363     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
364     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
365     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
366                                  OldEntry->begin());
367
368     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
369     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
370     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
371     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
372     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
373     // it will not show up as a predecessor.
374     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
375          PI != PE; ++PI) {
376       if (*PI == &F->getEntryBlock())
377         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
378       else
379         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
380     }
381
382     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
383     // associative accumulator instruction.
384     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
385
386     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
387     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
388     // inserted.
389     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
390
391     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
392     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
393     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
394     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
395       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
396         RI->setOperand(0, AccPN);
397     ++NumAccumAdded;
398   }
399
400   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
401   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
402   new BranchInst(OldEntry, Ret);
403   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
404   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
405   ++NumEliminated;
406   return true;
407 }