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