Revert "[C++11] Add predecessors(BasicBlock *) / successors(BasicBlock *) iterator...
[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 precedes 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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
54 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
55 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
56 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
57 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
58 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
59 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
60 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
61 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
62 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
63 #include "llvm/IR/CFG.h"
64 #include "llvm/IR/CallSite.h"
65 #include "llvm/IR/Constants.h"
66 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
67 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
68 #include "llvm/IR/Function.h"
69 #include "llvm/IR/Instructions.h"
70 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
71 #include "llvm/IR/Module.h"
72 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
73 #include "llvm/Pass.h"
74 #include "llvm/Support/Debug.h"
75 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
76 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
77 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
78 using namespace llvm;
79
80 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
81
82 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
83 STATISTIC(NumRetDuped,   "Number of return duplicated");
84 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
85
86 namespace {
87   struct TailCallElim : public FunctionPass {
88     const TargetTransformInfo *TTI;
89
90     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
91     TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
92       initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
93     }
94
95     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
96
97     bool runOnFunction(Function &F) override;
98
99   private:
100     bool runTRE(Function &F);
101     bool markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls);
102
103     CallInst *FindTRECandidate(Instruction *I,
104                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
105     bool EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
106                                     BasicBlock *&OldEntry,
107                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
108                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
109                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
110     bool FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
111                                   ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
112                                   bool &TailCallsAreMarkedTail,
113                                   SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
114                                   bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
115     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
116                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
117                                SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
118                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
119     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
120     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
121   };
122 }
123
124 char TailCallElim::ID = 0;
125 INITIALIZE_PASS_BEGIN(TailCallElim, "tailcallelim",
126                       "Tail Call Elimination", false, false)
127 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
128 INITIALIZE_PASS_END(TailCallElim, "tailcallelim",
129                     "Tail Call Elimination", false, false)
130
131 // Public interface to the TailCallElimination pass
132 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
133   return new TailCallElim();
134 }
135
136 void TailCallElim::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
137   AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
138 }
139
140 /// \brief Scan the specified function for alloca instructions.
141 /// If it contains any dynamic allocas, returns false.
142 static bool CanTRE(Function &F) {
143   // Because of PR962, we don't TRE dynamic allocas.
144   for (auto &BB : F) {
145     for (auto &I : BB) {
146       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I)) {
147         if (!AI->isStaticAlloca())
148           return false;
149       }
150     }
151   }
152
153   return true;
154 }
155
156 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
157   if (skipOptnoneFunction(F))
158     return false;
159
160   bool AllCallsAreTailCalls = false;
161   bool Modified = markTails(F, AllCallsAreTailCalls);
162   if (AllCallsAreTailCalls)
163     Modified |= runTRE(F);
164   return Modified;
165 }
166
167 namespace {
168 struct AllocaDerivedValueTracker {
169   // Start at a root value and walk its use-def chain to mark calls that use the
170   // value or a derived value in AllocaUsers, and places where it may escape in
171   // EscapePoints.
172   void walk(Value *Root) {
173     SmallVector<Use *, 32> Worklist;
174     SmallPtrSet<Use *, 32> Visited;
175
176     auto AddUsesToWorklist = [&](Value *V) {
177       for (auto &U : V->uses()) {
178         if (!Visited.insert(&U))
179           continue;
180         Worklist.push_back(&U);
181       }
182     };
183
184     AddUsesToWorklist(Root);
185
186     while (!Worklist.empty()) {
187       Use *U = Worklist.pop_back_val();
188       Instruction *I = cast<Instruction>(U->getUser());
189
190       switch (I->getOpcode()) {
191       case Instruction::Call:
192       case Instruction::Invoke: {
193         CallSite CS(I);
194         bool IsNocapture = !CS.isCallee(U) &&
195                            CS.doesNotCapture(CS.getArgumentNo(U));
196         callUsesLocalStack(CS, IsNocapture);
197         if (IsNocapture) {
198           // If the alloca-derived argument is passed in as nocapture, then it
199           // can't propagate to the call's return. That would be capturing.
200           continue;
201         }
202         break;
203       }
204       case Instruction::Load: {
205         // The result of a load is not alloca-derived (unless an alloca has
206         // otherwise escaped, but this is a local analysis).
207         continue;
208       }
209       case Instruction::Store: {
210         if (U->getOperandNo() == 0)
211           EscapePoints.insert(I);
212         continue;  // Stores have no users to analyze.
213       }
214       case Instruction::BitCast:
215       case Instruction::GetElementPtr:
216       case Instruction::PHI:
217       case Instruction::Select:
218       case Instruction::AddrSpaceCast:
219         break;
220       default:
221         EscapePoints.insert(I);
222         break;
223       }
224
225       AddUsesToWorklist(I);
226     }
227   }
228
229   void callUsesLocalStack(CallSite CS, bool IsNocapture) {
230     // Add it to the list of alloca users. If it's already there, skip further
231     // processing.
232     if (!AllocaUsers.insert(CS.getInstruction()))
233       return;
234
235     // If it's nocapture then it can't capture the alloca.
236     if (IsNocapture)
237       return;
238
239     // If it can write to memory, it can leak the alloca value.
240     if (!CS.onlyReadsMemory())
241       EscapePoints.insert(CS.getInstruction());
242   }
243
244   SmallPtrSet<Instruction *, 32> AllocaUsers;
245   SmallPtrSet<Instruction *, 32> EscapePoints;
246 };
247 }
248
249 bool TailCallElim::markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls) {
250   if (F.callsFunctionThatReturnsTwice())
251     return false;
252   AllCallsAreTailCalls = true;
253
254   // The local stack holds all alloca instructions and all byval arguments.
255   AllocaDerivedValueTracker Tracker;
256   for (Argument &Arg : F.args()) {
257     if (Arg.hasByValAttr())
258       Tracker.walk(&Arg);
259   }
260   for (auto &BB : F) {
261     for (auto &I : BB)
262       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I))
263         Tracker.walk(AI);
264   }
265
266   bool Modified = false;
267
268   // Track whether a block is reachable after an alloca has escaped. Blocks that
269   // contain the escaping instruction will be marked as being visited without an
270   // escaped alloca, since that is how the block began.
271   enum VisitType {
272     UNVISITED,
273     UNESCAPED,
274     ESCAPED
275   };
276   DenseMap<BasicBlock *, VisitType> Visited;
277
278   // We propagate the fact that an alloca has escaped from block to successor.
279   // Visit the blocks that are propagating the escapedness first. To do this, we
280   // maintain two worklists.
281   SmallVector<BasicBlock *, 32> WorklistUnescaped, WorklistEscaped;
282
283   // We may enter a block and visit it thinking that no alloca has escaped yet,
284   // then see an escape point and go back around a loop edge and come back to
285   // the same block twice. Because of this, we defer setting tail on calls when
286   // we first encounter them in a block. Every entry in this list does not
287   // statically use an alloca via use-def chain analysis, but may find an alloca
288   // through other means if the block turns out to be reachable after an escape
289   // point.
290   SmallVector<CallInst *, 32> DeferredTails;
291
292   BasicBlock *BB = &F.getEntryBlock();
293   VisitType Escaped = UNESCAPED;
294   do {
295     for (auto &I : *BB) {
296       if (Tracker.EscapePoints.count(&I))
297         Escaped = ESCAPED;
298
299       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
300       if (!CI || CI->isTailCall())
301         continue;
302
303       if (CI->doesNotAccessMemory()) {
304         // A call to a readnone function whose arguments are all things computed
305         // outside this function can be marked tail. Even if you stored the
306         // alloca address into a global, a readnone function can't load the
307         // global anyhow.
308         //
309         // Note that this runs whether we know an alloca has escaped or not. If
310         // it has, then we can't trust Tracker.AllocaUsers to be accurate.
311         bool SafeToTail = true;
312         for (auto &Arg : CI->arg_operands()) {
313           if (isa<Constant>(Arg.getUser()))
314             continue;
315           if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(Arg.getUser()))
316             if (!A->hasByValAttr())
317               continue;
318           SafeToTail = false;
319           break;
320         }
321         if (SafeToTail) {
322           emitOptimizationRemark(
323               F.getContext(), "tailcallelim", F, CI->getDebugLoc(),
324               "marked this readnone call a tail call candidate");
325           CI->setTailCall();
326           Modified = true;
327           continue;
328         }
329       }
330
331       if (Escaped == UNESCAPED && !Tracker.AllocaUsers.count(CI)) {
332         DeferredTails.push_back(CI);
333       } else {
334         AllCallsAreTailCalls = false;
335       }
336     }
337
338     for (auto *SuccBB : make_range(succ_begin(BB), succ_end(BB))) {
339       auto &State = Visited[SuccBB];
340       if (State < Escaped) {
341         State = Escaped;
342         if (State == ESCAPED)
343           WorklistEscaped.push_back(SuccBB);
344         else
345           WorklistUnescaped.push_back(SuccBB);
346       }
347     }
348
349     if (!WorklistEscaped.empty()) {
350       BB = WorklistEscaped.pop_back_val();
351       Escaped = ESCAPED;
352     } else {
353       BB = nullptr;
354       while (!WorklistUnescaped.empty()) {
355         auto *NextBB = WorklistUnescaped.pop_back_val();
356         if (Visited[NextBB] == UNESCAPED) {
357           BB = NextBB;
358           Escaped = UNESCAPED;
359           break;
360         }
361       }
362     }
363   } while (BB);
364
365   for (CallInst *CI : DeferredTails) {
366     if (Visited[CI->getParent()] != ESCAPED) {
367       // If the escape point was part way through the block, calls after the
368       // escape point wouldn't have been put into DeferredTails.
369       emitOptimizationRemark(F.getContext(), "tailcallelim", F,
370                              CI->getDebugLoc(),
371                              "marked this call a tail call candidate");
372       CI->setTailCall();
373       Modified = true;
374     } else {
375       AllCallsAreTailCalls = false;
376     }
377   }
378
379   return Modified;
380 }
381
382 bool TailCallElim::runTRE(Function &F) {
383   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
384   // right, so don't even try to convert it...
385   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
386
387   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
388   BasicBlock *OldEntry = nullptr;
389   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
390   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
391   bool MadeChange = false;
392
393   // CanTRETailMarkedCall - If false, we cannot perform TRE on tail calls
394   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
395   // size to increase (real TRE would deallocate variable sized allocas, TRE
396   // doesn't).
397   bool CanTRETailMarkedCall = CanTRE(F);
398
399   // Change any tail recursive calls to loops.
400   //
401   // FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
402   // alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
403   // Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
404   // happen.  This bug is PR962.
405   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
406     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator())) {
407       bool Change = ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
408                                           ArgumentPHIs, !CanTRETailMarkedCall);
409       if (!Change && BB->getFirstNonPHIOrDbg() == Ret)
410         Change = FoldReturnAndProcessPred(BB, Ret, OldEntry,
411                                           TailCallsAreMarkedTail, ArgumentPHIs,
412                                           !CanTRETailMarkedCall);
413       MadeChange |= Change;
414     }
415   }
416
417   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
418   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
419   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
420   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
421   // call.
422   for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
423     PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
424
425     // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
426     if (Value *PNV = SimplifyInstruction(PN)) {
427       PN->replaceAllUsesWith(PNV);
428       PN->eraseFromParent();
429     }
430   }
431
432   return MadeChange;
433 }
434
435
436 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
437 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
438 /// instructions between the call and this instruction are movable.
439 ///
440 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
441   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
442   // call does not mod/ref the memory location being processed.
443   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
444     return false;
445
446   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
447     // Loads may always be moved above calls without side effects.
448     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
449       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
450       // does not write to memory and the load provably won't trap.
451       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
452       // being loaded from.
453       if (CI->mayWriteToMemory() ||
454           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
455                                        L->getAlignment()))
456         return false;
457     }
458   }
459
460   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
461   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
462   // return value of the call, it must only use things that are defined before
463   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
464   // itself.
465   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
466     if (I->getOperand(i) == CI)
467       return false;
468   return true;
469 }
470
471 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
472 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
473 // function was executed.
474 //
475 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
476 // part of the recursion.
477 //
478 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
479   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
480
481   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
482   // will be available to initialize the accumulator.
483   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
484     // Figure out which argument number this is...
485     unsigned ArgNo = 0;
486     Function *F = CI->getParent()->getParent();
487     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
488       ++ArgNo;
489
490     // If we are passing this argument into call as the corresponding
491     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
492     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
493     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
494       return true;
495   }
496
497   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
498   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
499   // effectively constant.
500   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
501     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
502       if (SI->getCondition() == V)
503         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
504
505   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
506   return false;
507 }
508
509 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
510 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
511 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
512 //
513 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
514   Function *F = CI->getParent()->getParent();
515   Value *ReturnedValue = nullptr;
516
517   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI) {
518     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator());
519     if (RI == nullptr || RI == IgnoreRI) continue;
520
521     // We can only perform this transformation if the value returned is
522     // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
523     // instead of at the end of the evaluation.
524     //
525     Value *RetOp = RI->getOperand(0);
526     if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
527       return nullptr;
528
529     if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
530       return nullptr;     // Cannot transform if differing values are returned.
531     ReturnedValue = RetOp;
532   }
533   return ReturnedValue;
534 }
535
536 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
537 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
538 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
539 ///
540 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
541                                                       CallInst *CI) {
542   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return nullptr;
543   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
544          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
545
546   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
547   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
548       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
549     return nullptr;
550
551   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
552   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->user_back()))
553     return nullptr;
554
555   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
556   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
557   // transform the function safely.
558   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->user_back()), CI);
559 }
560
561 static Instruction *FirstNonDbg(BasicBlock::iterator I) {
562   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
563     ++I;
564   return &*I;
565 }
566
567 CallInst*
568 TailCallElim::FindTRECandidate(Instruction *TI,
569                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
570   BasicBlock *BB = TI->getParent();
571   Function *F = BB->getParent();
572
573   if (&BB->front() == TI) // Make sure there is something before the terminator.
574     return nullptr;
575
576   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
577   // this block.  If so, set CI to it.
578   CallInst *CI = nullptr;
579   BasicBlock::iterator BBI = TI;
580   while (true) {
581     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
582     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
583       break;
584
585     if (BBI == BB->begin())
586       return nullptr;          // Didn't find a potential tail call.
587     --BBI;
588   }
589
590   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
591   // the function, we cannot perform this optimization.
592   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
593     return nullptr;
594
595   // As a special case, detect code like this:
596   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
597   // and disable this xform in this case, because the code generator will
598   // lower the call to fabs into inline code.
599   if (BB == &F->getEntryBlock() &&
600       FirstNonDbg(BB->front()) == CI &&
601       FirstNonDbg(std::next(BB->begin())) == TI &&
602       CI->getCalledFunction() &&
603       !TTI->isLoweredToCall(CI->getCalledFunction())) {
604     // A single-block function with just a call and a return. Check that
605     // the arguments match.
606     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
607                            E = CallSite(CI).arg_end();
608     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
609                            FE = F->arg_end();
610     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
611       if (*I != &*FI) break;
612     if (I == E && FI == FE)
613       return nullptr;
614   }
615
616   return CI;
617 }
618
619 bool TailCallElim::EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
620                                        BasicBlock *&OldEntry,
621                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
622                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
623                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
624   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
625   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
626   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
627   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
628   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
629   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
630   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
631   // which is different to the constant returned by other return instructions
632   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
633   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
634   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = nullptr;
635   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = nullptr;
636
637   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
638   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
639   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
640   // Check that this is the case now.
641   BasicBlock::iterator BBI = CI;
642   for (++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
643     if (CanMoveAboveCall(BBI, CI)) continue;
644
645     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
646     // is an associative and commutative operation that could be transformed
647     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
648     // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
649     if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
650                            CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
651       // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
652       // accumulates.
653       AccumulatorRecursionInstr = BBI;
654     } else {
655       return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
656     }
657   }
658
659   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
660   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
661   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
662   // accumulator recursion variable eliminated.
663   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
664       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
665       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == nullptr &&
666       !getCommonReturnValue(nullptr, CI)) {
667     // One case remains that we are able to handle: the current return
668     // instruction returns a constant, and all other return instructions
669     // return a different constant.
670     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
671       return false; // Current return instruction does not return a constant.
672     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
673     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
674     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
675     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
676       return false;
677   }
678
679   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
680   Function *F = BB->getParent();
681
682   emitOptimizationRemark(F->getContext(), "tailcallelim", *F, CI->getDebugLoc(),
683                          "transforming tail recursion to loop");
684
685   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
686   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
687   if (!OldEntry) {
688     OldEntry = &F->getEntryBlock();
689     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
690     NewEntry->takeName(OldEntry);
691     OldEntry->setName("tailrecurse");
692     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
693
694     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
695     // entry block, move them up to the new entry block.
696     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
697     if (TailCallsAreMarkedTail)
698       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
699       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
700              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
701         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
702           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
703             AI->moveBefore(NEBI);
704
705     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
706     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
707     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
708     // which are passed in.
709     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
710     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
711          I != E; ++I) {
712       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(), 2,
713                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
714       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
715       PN->addIncoming(I, NewEntry);
716       ArgumentPHIs.push_back(PN);
717     }
718   }
719
720   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
721   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
722   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
723   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
724   // slightly better here in the case that the function has no entry block
725   // allocas.
726   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
727     return false;
728
729   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
730   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
731   // parameters passed into the tail-recursive call.
732   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
733     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
734
735   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
736   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
737   // eliminations will happen on this function because of the way the
738   // accumulator recursion predicate is set up.
739   //
740   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
741     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
742     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
743     pred_iterator PB = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
744     PHINode *AccPN =
745       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
746                       std::distance(PB, PE) + 1,
747                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
748
749     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
750     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
751     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
752     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
753     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
754     // it will not show up as a predecessor.
755     for (pred_iterator PI = PB; PI != PE; ++PI) {
756       BasicBlock *P = *PI;
757       if (P == &F->getEntryBlock())
758         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
759       else
760         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
761     }
762
763     if (AccRecInstr) {
764       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
765       // our associative and commutative accumulator instruction.
766       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
767
768       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
769       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
770       // inserted.
771       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
772     } else {
773       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
774       // constant returned by the current return instruction.
775       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
776     }
777
778     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
779     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
780     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
781     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
782       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
783         RI->setOperand(0, AccPN);
784     ++NumAccumAdded;
785   }
786
787   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
788   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
789   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
790   NewBI->setDebugLoc(CI->getDebugLoc());
791
792   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
793   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
794   ++NumEliminated;
795   return true;
796 }
797
798 bool TailCallElim::FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
799                                        ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
800                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
801                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
802                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
803   bool Change = false;
804
805   // If the return block contains nothing but the return and PHI's,
806   // there might be an opportunity to duplicate the return in its
807   // predecessors and perform TRC there. Look for predecessors that end
808   // in unconditional branch and recursive call(s).
809   SmallVector<BranchInst*, 8> UncondBranchPreds;
810   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
811     BasicBlock *Pred = *PI;
812     TerminatorInst *PTI = Pred->getTerminator();
813     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(PTI))
814       if (BI->isUnconditional())
815         UncondBranchPreds.push_back(BI);
816   }
817
818   while (!UncondBranchPreds.empty()) {
819     BranchInst *BI = UncondBranchPreds.pop_back_val();
820     BasicBlock *Pred = BI->getParent();
821     if (CallInst *CI = FindTRECandidate(BI, CannotTailCallElimCallsMarkedTail)){
822       DEBUG(dbgs() << "FOLDING: " << *BB
823             << "INTO UNCOND BRANCH PRED: " << *Pred);
824       EliminateRecursiveTailCall(CI, FoldReturnIntoUncondBranch(Ret, BB, Pred),
825                                  OldEntry, TailCallsAreMarkedTail, ArgumentPHIs,
826                                  CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
827       ++NumRetDuped;
828       Change = true;
829     }
830   }
831
832   return Change;
833 }
834
835 bool
836 TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
837                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
838                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
839                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
840   CallInst *CI = FindTRECandidate(Ret, CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
841   if (!CI)
842     return false;
843
844   return EliminateRecursiveTailCall(CI, Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
845                                     ArgumentPHIs,
846                                     CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
847 }