Implement: test/Regression/Transforms/TailCallElim/accum_recursion.ll
[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 //
23 // There are several improvements that could be made:
24 //
25 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
26 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
27 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
28 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
29 //     function does not read or write the stack object.
30 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately preceeds the
31 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
32 //     the call and the return.
33 //  3. TRE is only performed if the function returns void or if the return
34 //     returns the result returned by the call.  It is possible, but unlikely,
35 //     that the return returns something else (like constant 0), and can still
36 //     be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in the
37 //     function return the exact same value.
38 //  4. There can be intervening operations between the call and the return that
39 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
40 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
41 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
42 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
43 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
44 //
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
48 #include "llvm/DerivedTypes.h"
49 #include "llvm/Function.h"
50 #include "llvm/Instructions.h"
51 #include "llvm/Pass.h"
52 #include "llvm/Support/CFG.h"
53 #include "Support/Statistic.h"
54 using namespace llvm;
55
56 namespace {
57   Statistic<> NumEliminated("tailcallelim", "Number of tail calls removed");
58   Statistic<> NumAccumAdded("tailcallelim","Number of accumulators introduced");
59
60   struct TailCallElim : public FunctionPass {
61     virtual bool runOnFunction(Function &F);
62
63   private:
64     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
65                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs);
66     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
67     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
68   };
69   RegisterOpt<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
70 }
71
72 // Public interface to the TailCallElimination pass
73 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
74   return new TailCallElim();
75 }
76
77
78 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
79   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
80   // right, so don't even try to convert it...
81   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
82
83   BasicBlock *OldEntry = 0;
84   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
85   bool MadeChange = false;
86
87   // Loop over the function, looking for any returning blocks...
88   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
89     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
90       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, ArgumentPHIs);
91   
92   return MadeChange;
93 }
94
95
96 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
97 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
98 /// instructions between the call and this instruction are movable.
99 ///
100 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
101   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
102   // call does not mod/ref the memory location being processed.
103   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
104     return false;
105
106   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
107   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
108   // return value of the call, it must only use things that are defined before
109   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
110   // itself.
111   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
112     if (I->getOperand(i) == CI)
113       return false;
114   return true;
115 }
116
117
118 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
119 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
120 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
121 ///
122 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
123                                                       CallInst *CI) {
124   if (!I->isAssociative()) return 0;
125   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
126          "Associative operations should have 2 args!");
127
128   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
129   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
130       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
131     return 0;
132
133   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
134   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
135     return 0;
136
137   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
138   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
139   // transform the function safely.
140   Value *ReturnedValue = 0;
141   Function *F = CI->getParent()->getParent();
142
143   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
144     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator())) {
145       Value *RetOp = RI->getOperand(0);
146       if (isa<Constant>(RetOp)) {
147         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
148           return 0;     // Cannot transform if differing constants are returned.
149         ReturnedValue = RetOp;
150
151       } else if (RetOp != I) { // Ignore the one returning I.
152         return 0;  // Not returning a constant, cannot transform.
153       }
154     }
155
156   // Ok, if we passed this battery of tests, we can perform accumulator
157   // recursion elimination.
158   return ReturnedValue;
159 }
160
161 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
162                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs) {
163   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
164   Function *F = BB->getParent();
165
166   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
167     return false;
168
169   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
170   // this block.  If so, set CI to it.
171   CallInst *CI;
172   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
173   while (1) {
174     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
175     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
176       break;
177
178     if (BBI == BB->begin())
179       return false;          // Didn't find a potential tail call.
180     --BBI;
181   }
182
183   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
184   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
185   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
186   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
187   // elimination.
188   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
189   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
190
191   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
192   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
193   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
194   // Check that this is the case now.
195   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
196     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
197       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
198       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
199       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
200       // remember the initial accumulator value for later.
201       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
202                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
203         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
204         // accumulates.
205         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
206       } else {
207         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
208       }
209     }
210
211   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
212   // of the call and return void, or return the value returned by the tail call.
213   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
214       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0)
215     return false;
216
217   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
218   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
219   if (OldEntry == 0) {
220     OldEntry = &F->getEntryBlock();
221     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
222     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, OldEntry);
223     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
224     
225     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
226     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
227     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
228     // which are passed in.
229     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
230     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I) {
231       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
232       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
233       PN->addIncoming(I, NewEntry);
234       ArgumentPHIs.push_back(PN);
235     }
236   }
237   
238   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
239   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
240   // parameters passed into the tail-recursive call.
241   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
242     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
243   
244   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
245   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
246   // eliminations will happen on this function because of the way the
247   // accumulator recursion predicate is set up.
248   //
249   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
250     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
251     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
252     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
253                                  OldEntry->begin());
254
255     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
256     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
257     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
258     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
259     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
260     // it will not show up as a predecessor.
261     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
262          PI != PE; ++PI) {
263       if (*PI == &F->getEntryBlock())
264         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
265       else
266         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
267     }
268
269     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
270     // associative accumulator instruction.
271     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
272
273     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
274     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
275     // inserted.
276     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
277
278     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
279     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
280     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
281     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
282       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
283         RI->setOperand(0, AccPN);
284     ++NumAccumAdded;
285   }
286
287   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
288   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
289   new BranchInst(OldEntry, Ret);
290   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
291   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
292   ++NumEliminated;
293   return true;
294 }