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