Detemplatize the Statistic class. The only type it is instantiated with
[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/Constants.h"
55 #include "llvm/DerivedTypes.h"
56 #include "llvm/Function.h"
57 #include "llvm/Instructions.h"
58 #include "llvm/Pass.h"
59 #include "llvm/Support/CFG.h"
60 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
61 using namespace llvm;
62
63 namespace {
64   Statistic NumEliminated("tailcallelim", "Number of tail calls removed");
65   Statistic NumAccumAdded("tailcallelim","Number of accumulators introduced");
66
67   struct TailCallElim : public FunctionPass {
68     virtual bool runOnFunction(Function &F);
69
70   private:
71     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
72                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
73                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs,
74                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
75     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
76     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
77   };
78   RegisterPass<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
79 }
80
81 // Public interface to the TailCallElimination pass
82 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
83   return new TailCallElim();
84 }
85
86
87 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
88 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
89 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
90 /// call sites if desired.
91 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
92   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
93   return true;
94 }
95
96 /// FunctionContainsAllocas - Scan the specified basic block for alloca
97 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
98 /// true.
99 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
100                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
101   bool RetVal = false;
102   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
103     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
104       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
105
106       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
107       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
108       // with this mechanism.
109       if (BB != &BB->getParent()->front() ||
110           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
111         CannotTCETailMarkedCall = true;
112     }
113   return RetVal;
114 }
115
116 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
117   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
118   // right, so don't even try to convert it...
119   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
120
121   BasicBlock *OldEntry = 0;
122   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
123   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
124   bool MadeChange = false;
125
126   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
127
128   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
129   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
130   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
131   // doesn't).
132   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
133
134   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
135   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
136   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
137     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
138       break;
139
140     FunctionContainsEscapingAllocas |=
141       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
142   }
143   
144   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
145   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
146   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
147   /// happen.  This bug is PR962.
148   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
149     return false;
150   
151
152   // Second pass, change any tail calls to loops.
153   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
154     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
155       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
156                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
157
158   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
159   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
160   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
161   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
162   // call.
163   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
164     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
165       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
166
167       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
168       if (Value *PNV = PN->hasConstantValue()) {
169         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
170         PN->eraseFromParent();
171       }
172     }
173   }
174
175   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
176   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
177   // them to access).
178   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
179     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
180       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
181         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
182           CI->setTailCall();
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->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
196     return false;
197
198   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
199   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
200   // return value of the call, it must only use things that are defined before
201   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
202   // itself.
203   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
204     if (I->getOperand(i) == CI)
205       return false;
206   return true;
207 }
208
209 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
210 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
211 // function was executed.
212 //
213 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
214 // part of the recursion.
215 //
216 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI) {
217   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
218
219   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
220   // will be available to initialize the accumulator.
221   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
222     // Figure out which argument number this is...
223     unsigned ArgNo = 0;
224     Function *F = CI->getParent()->getParent();
225     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
226       ++ArgNo;
227
228     // If we are passing this argument into call as the corresponding
229     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
230     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
231     if (CI->getOperand(ArgNo+1) == Arg)
232       return true;
233   }
234   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
235   return false;
236 }
237
238 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
239 // return instruction and tail call consistently returns the same
240 // runtime-constant value at all exit points.  If so, return the returned value.
241 //
242 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *TheRI, CallInst *CI) {
243   Function *F = TheRI->getParent()->getParent();
244   Value *ReturnedValue = 0;
245
246   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
247     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
248       if (RI != TheRI) {
249         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
250
251         // We can only perform this transformation if the value returned is
252         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
253         // instead of at the end of the evaluation.
254         //
255         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI))
256           return 0;
257
258         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
259           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
260         ReturnedValue = RetOp;
261       }
262   return ReturnedValue;
263 }
264
265 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
266 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
267 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
268 ///
269 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
270                                                       CallInst *CI) {
271   if (!I->isAssociative()) return 0;
272   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
273          "Associative operations should have 2 args!");
274
275   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
276   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
277       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
278     return 0;
279
280   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
281   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
282     return 0;
283
284   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
285   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
286   // transform the function safely.
287   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
288 }
289
290 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
291                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
292                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs,
293                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
294   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
295   Function *F = BB->getParent();
296
297   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
298     return false;
299
300   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
301   // this block.  If so, set CI to it.
302   CallInst *CI;
303   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
304   while (1) {
305     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
306     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
307       break;
308
309     if (BBI == BB->begin())
310       return false;          // Didn't find a potential tail call.
311     --BBI;
312   }
313
314   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
315   // the function, we cannot perform this optimization.
316   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
317     return false;
318
319   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
320   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
321   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
322   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
323   // elimination.
324   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
325   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
326
327   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
328   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
329   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
330   // Check that this is the case now.
331   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
332     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
333       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
334       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
335       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
336       // remember the initial accumulator value for later.
337       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
338                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
339         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
340         // accumulates.
341         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
342       } else {
343         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
344       }
345     }
346
347   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
348   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
349   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
350   // accumulator recursion variable eliminated.
351   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
352       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
353       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
354       !getCommonReturnValue(Ret, CI))
355     return false;
356
357   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
358   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
359   if (OldEntry == 0) {
360     OldEntry = &F->getEntryBlock();
361     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
362     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, F, OldEntry);
363     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
364
365     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
366     // entry block, move them up to the new entry block.
367     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
368     if (TailCallsAreMarkedTail)
369       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
370       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
371              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
372         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
373           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
374             AI->moveBefore(NEBI);
375
376     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
377     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
378     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
379     // which are passed in.
380     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
381     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
382          I != E; ++I) {
383       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
384       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
385       PN->addIncoming(I, NewEntry);
386       ArgumentPHIs.push_back(PN);
387     }
388   }
389
390   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
391   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
392   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
393   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
394   // slightly better here in the case that the function has no entry block
395   // allocas.
396   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
397     return false;
398
399   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
400   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
401   // parameters passed into the tail-recursive call.
402   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
403     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
404
405   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
406   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
407   // eliminations will happen on this function because of the way the
408   // accumulator recursion predicate is set up.
409   //
410   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
411     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
412     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
413     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
414                                  OldEntry->begin());
415
416     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
417     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
418     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
419     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
420     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
421     // it will not show up as a predecessor.
422     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
423          PI != PE; ++PI) {
424       if (*PI == &F->getEntryBlock())
425         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
426       else
427         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
428     }
429
430     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
431     // associative accumulator instruction.
432     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
433
434     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
435     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
436     // inserted.
437     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
438
439     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
440     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
441     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
442     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
443       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
444         RI->setOperand(0, AccPN);
445     ++NumAccumAdded;
446   }
447
448   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
449   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
450   new BranchInst(OldEntry, Ret);
451   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
452   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
453   ++NumEliminated;
454   return true;
455 }