Adjust to the new BasicBlock ctor, which requires a function parameter
[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 //
29 // There are several improvements that could be made:
30 //
31 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
32 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
33 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
34 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
35 //     function does not read or write the stack object.
36 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately preceeds the
37 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
38 //     the call and the return.
39 //  3. There can be intervening operations between the call and the return that
40 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
41 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
42 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
43 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
44 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
45 //
46 //===----------------------------------------------------------------------===//
47
48 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
49 #include "llvm/DerivedTypes.h"
50 #include "llvm/Function.h"
51 #include "llvm/Instructions.h"
52 #include "llvm/Pass.h"
53 #include "llvm/Support/CFG.h"
54 #include "Support/Statistic.h"
55 using namespace llvm;
56
57 namespace {
58   Statistic<> NumEliminated("tailcallelim", "Number of tail calls removed");
59   Statistic<> NumAccumAdded("tailcallelim","Number of accumulators introduced");
60
61   struct TailCallElim : public FunctionPass {
62     virtual bool runOnFunction(Function &F);
63
64   private:
65     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
66                                std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs);
67     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
68     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
69   };
70   RegisterOpt<TailCallElim> X("tailcallelim", "Tail Call Elimination");
71 }
72
73 // Public interface to the TailCallElimination pass
74 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
75   return new TailCallElim();
76 }
77
78
79 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
80   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
81   // right, so don't even try to convert it...
82   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
83
84   BasicBlock *OldEntry = 0;
85   std::vector<PHINode*> ArgumentPHIs;
86   bool MadeChange = false;
87
88   // Loop over the function, looking for any returning blocks...
89   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
90     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
91       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, ArgumentPHIs);
92   
93   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
94   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
95   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
96   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
97   // call.
98   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
99     unsigned NumIncoming = ArgumentPHIs[0]->getNumIncomingValues();
100     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
101       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
102       Value *V = 0;
103       for (unsigned op = 0, e = NumIncoming; op != e; ++op) {
104         Value *Op = PN->getIncomingValue(op);
105         if (Op != PN) {
106           if (V == 0) {
107             V = Op;     // First value seen?
108           } else if (V != Op) {
109             V = 0;
110             break;
111           }
112         }
113       }
114
115       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
116       if (V) {
117         PN->replaceAllUsesWith(V);
118         PN->getParent()->getInstList().erase(PN);
119       }
120     }
121   }
122
123   return MadeChange;
124 }
125
126
127 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
128 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
129 /// instructions between the call and this instruction are movable.
130 ///
131 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
132   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
133   // call does not mod/ref the memory location being processed.
134   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
135     return false;
136
137   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
138   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
139   // return value of the call, it must only use things that are defined before
140   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
141   // itself.
142   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
143     if (I->getOperand(i) == CI)
144       return false;
145   return true;
146 }
147
148 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
149 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
150 // function was executed.
151 //
152 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
153 // part of the recursion.
154 //
155 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI) {
156   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
157
158   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
159   // will be available to initialize the accumulator.
160   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
161     // Figure out which argument number this is...
162     unsigned ArgNo = 0;
163     Function *F = CI->getParent()->getParent();
164     for (Function::aiterator AI = F->abegin(); &*AI != Arg; ++AI)
165       ++ArgNo;
166     
167     // If we are passing this argument into call as the corresponding
168     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
169     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
170     if (CI->getOperand(ArgNo+1) == Arg)
171       return true;
172   }
173   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
174   return false;
175 }
176
177 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
178 // return instruction and tail call consistently returns the same
179 // runtime-constant value at all exit points.  If so, return the returned value.
180 //
181 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *TheRI, CallInst *CI) {
182   Function *F = TheRI->getParent()->getParent();
183   Value *ReturnedValue = 0;
184
185   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
186     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
187       if (RI != TheRI) {
188         Value *RetOp = RI->getOperand(0);
189
190         // We can only perform this transformation if the value returned is
191         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
192         // instead of at the end of the evaluation.
193         //
194         if (!isDynamicConstant(RetOp, CI))
195           return 0;
196
197         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
198           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
199         ReturnedValue = RetOp;
200       }
201   return ReturnedValue;
202 }
203
204 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
205 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
206 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
207 ///
208 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
209                                                       CallInst *CI) {
210   if (!I->isAssociative()) return 0;
211   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
212          "Associative operations should have 2 args!");
213
214   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
215   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
216       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
217     return 0;
218
219   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
220   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
221     return 0;
222
223   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
224   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
225   // transform the function safely.
226   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
227 }
228
229 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
230                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs) {
231   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
232   Function *F = BB->getParent();
233
234   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
235     return false;
236
237   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
238   // this block.  If so, set CI to it.
239   CallInst *CI;
240   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
241   while (1) {
242     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
243     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
244       break;
245
246     if (BBI == BB->begin())
247       return false;          // Didn't find a potential tail call.
248     --BBI;
249   }
250
251   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
252   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
253   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
254   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
255   // elimination.
256   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
257   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
258
259   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
260   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
261   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
262   // Check that this is the case now.
263   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
264     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
265       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
266       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
267       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
268       // remember the initial accumulator value for later.
269       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
270                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
271         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
272         // accumulates.
273         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
274       } else {
275         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
276       }
277     }
278
279   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
280   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
281   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
282   // accumulator recursion variable eliminated.
283   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
284       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
285       !getCommonReturnValue(Ret, CI))
286     return false;
287
288   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
289   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
290   if (OldEntry == 0) {
291     OldEntry = &F->getEntryBlock();
292     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
293     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, F, OldEntry);
294     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
295     
296     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
297     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
298     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
299     // which are passed in.
300     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
301     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I) {
302       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
303       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
304       PN->addIncoming(I, NewEntry);
305       ArgumentPHIs.push_back(PN);
306     }
307   }
308   
309   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
310   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
311   // parameters passed into the tail-recursive call.
312   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
313     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
314   
315   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
316   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
317   // eliminations will happen on this function because of the way the
318   // accumulator recursion predicate is set up.
319   //
320   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
321     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
322     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
323     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
324                                  OldEntry->begin());
325
326     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
327     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
328     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
329     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
330     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
331     // it will not show up as a predecessor.
332     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
333          PI != PE; ++PI) {
334       if (*PI == &F->getEntryBlock())
335         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
336       else
337         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
338     }
339
340     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
341     // associative accumulator instruction.
342     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
343
344     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
345     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
346     // inserted.
347     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
348
349     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
350     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
351     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
352     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
353       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
354         RI->setOperand(0, AccPN);
355     ++NumAccumAdded;
356   }
357
358   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
359   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
360   new BranchInst(OldEntry, Ret);
361   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
362   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
363   ++NumEliminated;
364   return true;
365 }