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