Have a few places that want to simplify phi nodes use SimplifyInstruction
[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 and commutative expression to use an
20 //     accumulator variable, thus compiling the typical naive factorial or
21 //     'fib' implementation into 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/Analysis/InlineCost.h"
63 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
64 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
65 #include "llvm/Support/CallSite.h"
66 #include "llvm/Support/CFG.h"
67 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
68 using namespace llvm;
69
70 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
71 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
72
73 namespace {
74   struct TailCallElim : public FunctionPass {
75     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
76     TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
77       initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
78     }
79
80     virtual bool runOnFunction(Function &F);
81
82   private:
83     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
84                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
85                                SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
86                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
87     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
88     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
89   };
90 }
91
92 char TailCallElim::ID = 0;
93 INITIALIZE_PASS(TailCallElim, "tailcallelim",
94                 "Tail Call Elimination", false, false)
95
96 // Public interface to the TailCallElimination pass
97 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
98   return new TailCallElim();
99 }
100
101 /// AllocaMightEscapeToCalls - Return true if this alloca may be accessed by
102 /// callees of this function.  We only do very simple analysis right now, this
103 /// could be expanded in the future to use mod/ref information for particular
104 /// call sites if desired.
105 static bool AllocaMightEscapeToCalls(AllocaInst *AI) {
106   // FIXME: do simple 'address taken' analysis.
107   return true;
108 }
109
110 /// CheckForEscapingAllocas - Scan the specified basic block for alloca
111 /// instructions.  If it contains any that might be accessed by calls, return
112 /// true.
113 static bool CheckForEscapingAllocas(BasicBlock *BB,
114                                     bool &CannotTCETailMarkedCall) {
115   bool RetVal = false;
116   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
117     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I)) {
118       RetVal |= AllocaMightEscapeToCalls(AI);
119
120       // If this alloca is in the body of the function, or if it is a variable
121       // sized allocation, we cannot tail call eliminate calls marked 'tail'
122       // with this mechanism.
123       if (BB != &BB->getParent()->getEntryBlock() ||
124           !isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
125         CannotTCETailMarkedCall = true;
126     }
127   return RetVal;
128 }
129
130 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
131   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
132   // right, so don't even try to convert it...
133   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
134
135   BasicBlock *OldEntry = 0;
136   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
137   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
138   bool MadeChange = false;
139
140   bool FunctionContainsEscapingAllocas = false;
141
142   // CannotTCETailMarkedCall - If true, we cannot perform TCE on tail calls
143   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
144   // size to increase (real TCE would deallocate variable sized allocas, TCE
145   // doesn't).
146   bool CannotTCETailMarkedCall = false;
147
148   // Loop over the function, looking for any returning blocks, and keeping track
149   // of whether this function has any non-trivially used allocas.
150   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
151     if (FunctionContainsEscapingAllocas && CannotTCETailMarkedCall)
152       break;
153
154     FunctionContainsEscapingAllocas |=
155       CheckForEscapingAllocas(BB, CannotTCETailMarkedCall);
156   }
157   
158   /// FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
159   /// alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
160   /// Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
161   /// happen.  This bug is PR962.
162   if (FunctionContainsEscapingAllocas)
163     return false;
164
165   // Second pass, change any tail calls to loops.
166   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
167     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator()))
168       MadeChange |= ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
169                                           ArgumentPHIs,CannotTCETailMarkedCall);
170
171   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
172   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
173   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
174   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
175   // call.
176   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
177     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
178       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
179
180       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
181       if (Value *PNV = SimplifyInstruction(PN)) {
182         PN->replaceAllUsesWith(PNV);
183         PN->eraseFromParent();
184       }
185     }
186   }
187
188   // Finally, if this function contains no non-escaping allocas, mark all calls
189   // in the function as eligible for tail calls (there is no stack memory for
190   // them to access).
191   if (!FunctionContainsEscapingAllocas)
192     for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB)
193       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
194         if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
195           CI->setTailCall();
196           MadeChange = true;
197         }
198
199   return MadeChange;
200 }
201
202
203 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
204 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
205 /// instructions between the call and this instruction are movable.
206 ///
207 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
208   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
209   // call does not mod/ref the memory location being processed.
210   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
211     return false;
212   
213   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
214     // Loads may always be moved above calls without side effects.
215     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
216       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
217       // does not write to memory and the load provably won't trap.
218       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
219       // being loaded from.
220       if (CI->mayWriteToMemory() ||
221           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
222                                        L->getAlignment()))
223         return false;
224     }
225   }
226
227   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
228   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
229   // return value of the call, it must only use things that are defined before
230   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
231   // itself.
232   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
233     if (I->getOperand(i) == CI)
234       return false;
235   return true;
236 }
237
238 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
239 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
240 // function was executed.
241 //
242 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
243 // part of the recursion.
244 //
245 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
246   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
247
248   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
249   // will be available to initialize the accumulator.
250   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
251     // Figure out which argument number this is...
252     unsigned ArgNo = 0;
253     Function *F = CI->getParent()->getParent();
254     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
255       ++ArgNo;
256
257     // If we are passing this argument into call as the corresponding
258     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
259     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
260     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
261       return true;
262   }
263
264   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
265   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
266   // effectively constant.
267   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
268     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
269       if (SI->getCondition() == V)
270         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
271
272   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
273   return false;
274 }
275
276 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
277 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
278 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
279 //
280 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
281   Function *F = CI->getParent()->getParent();
282   Value *ReturnedValue = 0;
283
284   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI) {
285     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator());
286     if (RI == 0 || RI == IgnoreRI) continue;
287
288     // We can only perform this transformation if the value returned is
289     // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
290     // instead of at the end of the evaluation.
291     //
292     Value *RetOp = RI->getOperand(0);
293     if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
294       return 0;
295
296     if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
297       return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
298     ReturnedValue = RetOp;
299   }
300   return ReturnedValue;
301 }
302
303 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
304 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
305 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
306 ///
307 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
308                                                       CallInst *CI) {
309   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return 0;
310   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
311          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
312
313   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
314   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
315       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
316     return 0;
317
318   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
319   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
320     return 0;
321
322   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
323   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
324   // transform the function safely.
325   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->use_back()), CI);
326 }
327
328 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
329                                          bool &TailCallsAreMarkedTail,
330                                          SmallVector<PHINode*, 8> &ArgumentPHIs,
331                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
332   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
333   Function *F = BB->getParent();
334
335   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
336     return false;
337   
338   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
339   // this block.  If so, set CI to it.
340   CallInst *CI;
341   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
342   while (1) {
343     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
344     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
345       break;
346
347     if (BBI == BB->begin())
348       return false;          // Didn't find a potential tail call.
349     --BBI;
350   }
351
352   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
353   // the function, we cannot perform this optimization.
354   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
355     return false;
356
357   // As a special case, detect code like this:
358   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
359   // and disable this xform in this case, because the code generator will
360   // lower the call to fabs into inline code.
361   if (BB == &F->getEntryBlock() && 
362       &BB->front() == CI && &*++BB->begin() == Ret &&
363       callIsSmall(F)) {
364     // A single-block function with just a call and a return. Check that
365     // the arguments match.
366     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
367                            E = CallSite(CI).arg_end();
368     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
369                            FE = F->arg_end();
370     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
371       if (*I != &*FI) break;
372     if (I == E && FI == FE)
373       return false;
374   }
375
376   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
377   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
378   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
379   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
380   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
381   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
382   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
383   // which is different to the constant returned by other return instructions
384   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
385   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
386   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
387   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
388
389   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
390   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
391   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
392   // Check that this is the case now.
393   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
394     if (CanMoveAboveCall(BBI, CI)) continue;
395     
396     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
397     // is an associative and commutative operation that could be tranformed
398     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
399     // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
400     if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
401                            CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
402       // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
403       // accumulates.
404       AccumulatorRecursionInstr = BBI;
405     } else {
406       return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
407     }
408   }
409
410   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
411   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
412   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
413   // accumulator recursion variable eliminated.
414   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
415       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
416       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0 &&
417       !getCommonReturnValue(0, CI)) {
418     // One case remains that we are able to handle: the current return
419     // instruction returns a constant, and all other return instructions
420     // return a different constant.
421     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
422       return false; // Current return instruction does not return a constant.
423     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
424     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
425     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
426     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
427       return false;
428   }
429
430   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
431   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
432   if (OldEntry == 0) {
433     OldEntry = &F->getEntryBlock();
434     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
435     NewEntry->takeName(OldEntry);
436     OldEntry->setName("tailrecurse");
437     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
438
439     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
440     // entry block, move them up to the new entry block.
441     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
442     if (TailCallsAreMarkedTail)
443       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
444       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
445              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
446         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
447           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
448             AI->moveBefore(NEBI);
449
450     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
451     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
452     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
453     // which are passed in.
454     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
455     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
456          I != E; ++I) {
457       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(),
458                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
459       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
460       PN->addIncoming(I, NewEntry);
461       ArgumentPHIs.push_back(PN);
462     }
463   }
464
465   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
466   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
467   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
468   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
469   // slightly better here in the case that the function has no entry block
470   // allocas.
471   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
472     return false;
473
474   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
475   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
476   // parameters passed into the tail-recursive call.
477   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
478     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
479
480   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
481   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
482   // eliminations will happen on this function because of the way the
483   // accumulator recursion predicate is set up.
484   //
485   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
486     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
487     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
488     PHINode *AccPN =
489       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
490                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
491
492     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
493     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
494     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
495     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
496     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
497     // it will not show up as a predecessor.
498     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
499          PI != PE; ++PI) {
500       BasicBlock *P = *PI;
501       if (P == &F->getEntryBlock())
502         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
503       else
504         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
505     }
506
507     if (AccRecInstr) {
508       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
509       // our associative and commutative accumulator instruction.
510       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
511
512       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
513       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
514       // inserted.
515       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
516     } else {
517       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
518       // constant returned by the current return instruction.
519       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
520     }
521
522     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
523     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
524     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
525     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
526       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
527         RI->setOperand(0, AccPN);
528     ++NumAccumAdded;
529   }
530
531   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
532   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
533   BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
534   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
535   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
536   ++NumEliminated;
537   return true;
538 }