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