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