Implement: TailCallElim/accum_recursion_constant_arg.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   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
93   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
94   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
95   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
96   // call.
97   if (!ArgumentPHIs.empty()) {
98     unsigned NumIncoming = ArgumentPHIs[0]->getNumIncomingValues();
99     for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
100       PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
101       Value *V = 0;
102       for (unsigned op = 0, e = NumIncoming; op != e; ++op) {
103         Value *Op = PN->getIncomingValue(op);
104         if (Op != PN) {
105           if (V == 0) {
106             V = Op;     // First value seen?
107           } else if (V != Op) {
108             V = 0;
109             break;
110           }
111         }
112       }
113
114       // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
115       if (V) {
116         PN->replaceAllUsesWith(V);
117         PN->getParent()->getInstList().erase(PN);
118       }
119     }
120   }
121
122   return MadeChange;
123 }
124
125
126 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
127 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
128 /// instructions between the call and this instruction are movable.
129 ///
130 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
131   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
132   // call does not mod/ref the memory location being processed.
133   if (I->mayWriteToMemory() || isa<LoadInst>(I))
134     return false;
135
136   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
137   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
138   // return value of the call, it must only use things that are defined before
139   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
140   // itself.
141   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
142     if (I->getOperand(i) == CI)
143       return false;
144   return true;
145 }
146
147
148 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
149 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
150 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
151 ///
152 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
153                                                       CallInst *CI) {
154   if (!I->isAssociative()) return 0;
155   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
156          "Associative operations should have 2 args!");
157
158   // Exactly one operand should be the result of the call instruction...
159   if (I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI ||
160       I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI)
161     return 0;
162
163   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
164   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->use_back()))
165     return 0;
166
167   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
168   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
169   // transform the function safely.
170   Value *ReturnedValue = 0;
171   Function *F = CI->getParent()->getParent();
172
173   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
174     if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator())) {
175       Value *RetOp = RI->getOperand(0);
176       if (RetOp != I) { // Ignore the one returning I.
177         // We can only perform this transformation if the value returned is
178         // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
179         // instead of at the end of the evaluation.
180         //
181         // We currently handle static constants and arguments that are not
182         // modified as part of the recursion.
183         if (!isa<Constant>(RetOp)) {    // Constants are always ok
184           // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
185           // will be available to initialize the accumulator.
186           if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(RetOp)) {
187             // Figure out which argument number this is...
188             unsigned ArgNo = 0;
189             for (Function::aiterator AI = F->abegin(); &*AI != Arg; ++AI)
190               ++ArgNo;
191             
192             // If we are passing this argument into call as the corresponding
193             // argument operand, then the argument is dynamically constant.
194             // Otherwise, we cannot transform this function safely.
195             if (CI->getOperand(ArgNo+1) != Arg)
196               return 0;
197
198           } else {
199             // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
200             return 0;
201           }
202         }
203         
204         if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
205           return 0;     // Cannot transform if differing values are returned.
206         ReturnedValue = RetOp;
207       }
208     }
209   
210   // Ok, if we passed this battery of tests, we can perform accumulator
211   // recursion elimination.
212   return ReturnedValue;
213 }
214
215 bool TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
216                                          std::vector<PHINode*> &ArgumentPHIs) {
217   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
218   Function *F = BB->getParent();
219
220   if (&BB->front() == Ret) // Make sure there is something before the ret...
221     return false;
222
223   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
224   // this block.  If so, set CI to it.
225   CallInst *CI;
226   BasicBlock::iterator BBI = Ret;
227   while (1) {
228     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
229     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
230       break;
231
232     if (BBI == BB->begin())
233       return false;          // Didn't find a potential tail call.
234     --BBI;
235   }
236
237   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate associative
238   // operations after the call instruction, this variable contains the initial
239   // value for the accumulator.  If this value is set, we actually perform
240   // accumulator recursion elimination instead of simple tail recursion
241   // elimination.
242   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = 0;
243   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = 0;
244
245   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
246   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
247   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
248   // Check that this is the case now.
249   for (BBI = CI, ++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI)
250     if (!CanMoveAboveCall(BBI, CI)) {
251       // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
252       // is an associative operation that could be tranformed using accumulator
253       // recursion elimination.  Check to see if this is the case, and if so,
254       // remember the initial accumulator value for later.
255       if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
256                              CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
257         // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
258         // accumulates.
259         AccumulatorRecursionInstr = BBI;
260       } else {
261         return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
262       }
263     }
264
265   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
266   // of the call and return void, or return the value returned by the tail call.
267   if (Ret->getNumOperands() != 0 && Ret->getReturnValue() != CI &&
268       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == 0)
269     return false;
270
271   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
272   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
273   if (OldEntry == 0) {
274     OldEntry = &F->getEntryBlock();
275     std::string OldName = OldEntry->getName(); OldEntry->setName("tailrecurse");
276     BasicBlock *NewEntry = new BasicBlock(OldName, OldEntry);
277     new BranchInst(OldEntry, NewEntry);
278     
279     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
280     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
281     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
282     // which are passed in.
283     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
284     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I) {
285       PHINode *PN = new PHINode(I->getType(), I->getName()+".tr", InsertPos);
286       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
287       PN->addIncoming(I, NewEntry);
288       ArgumentPHIs.push_back(PN);
289     }
290   }
291   
292   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
293   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
294   // parameters passed into the tail-recursive call.
295   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumOperands()-1; i != e; ++i)
296     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getOperand(i+1), BB);
297   
298   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
299   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
300   // eliminations will happen on this function because of the way the
301   // accumulator recursion predicate is set up.
302   //
303   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
304     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
305     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
306     PHINode *AccPN = new PHINode(AccRecInstr->getType(), "accumulator.tr",
307                                  OldEntry->begin());
308
309     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
310     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
311     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
312     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
313     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
314     // it will not show up as a predecessor.
315     for (pred_iterator PI = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
316          PI != PE; ++PI) {
317       if (*PI == &F->getEntryBlock())
318         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, *PI);
319       else
320         AccPN->addIncoming(AccPN, *PI);
321     }
322
323     // Add an incoming argument for the current block, which is computed by our
324     // associative accumulator instruction.
325     AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
326
327     // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
328     // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
329     // inserted.
330     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
331
332     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
333     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
334     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
335     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
336       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
337         RI->setOperand(0, AccPN);
338     ++NumAccumAdded;
339   }
340
341   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
342   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
343   new BranchInst(OldEntry, Ret);
344   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
345   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
346   ++NumEliminated;
347   return true;
348 }