00a4c314a0edb0fcbed9e0dd24f9b9c83ddf21a8
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
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 promotes memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using iterated dominator frontiers to place PHI nodes, then
13 // traversing the function in depth-first order to rewrite loads and stores as
14 // appropriate.
15 //
16 // The algorithm used here is based on:
17 //
18 //   Sreedhar and Gao. A linear time algorithm for placing phi-nodes.
19 //   In Proceedings of the 22nd ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of
20 //   Programming Languages
21 //   POPL '95. ACM, New York, NY, 62-73.
22 //
23 // It has been modified to not explicitly use the DJ graph data structure and to
24 // directly compute pruned SSA using per-variable liveness information.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
29 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
36 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
37 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
38 #include "llvm/IR/CFG.h"
39 #include "llvm/IR/Constants.h"
40 #include "llvm/IR/DIBuilder.h"
41 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
42 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
43 #include "llvm/IR/Dominators.h"
44 #include "llvm/IR/Function.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/IR/Metadata.h"
48 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
49 #include <algorithm>
50 #include <queue>
51 using namespace llvm;
52
53 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
54
55 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
56 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
57 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
58 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
59
60 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
61   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
62   // assignments to subsections of the memory unit.
63   unsigned AS = AI->getType()->getAddressSpace();
64
65   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
66   for (const User *U : AI->users()) {
67     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
68       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
69       // not have any meaning for a local alloca.
70       if (LI->isVolatile())
71         return false;
72     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
73       if (SI->getOperand(0) == AI)
74         return false; // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
75       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
76       // not have any meaning for a local alloca.
77       if (SI->isVolatile())
78         return false;
79     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
80       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
81           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
82         return false;
83     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
84       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext(), AS))
85         return false;
86       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
87         return false;
88     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
89       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext(), AS))
90         return false;
91       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
92         return false;
93       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 namespace {
104
105 struct AllocaInfo {
106   SmallVector<BasicBlock *, 32> DefiningBlocks;
107   SmallVector<BasicBlock *, 32> UsingBlocks;
108
109   StoreInst *OnlyStore;
110   BasicBlock *OnlyBlock;
111   bool OnlyUsedInOneBlock;
112
113   Value *AllocaPointerVal;
114   DbgDeclareInst *DbgDeclare;
115
116   void clear() {
117     DefiningBlocks.clear();
118     UsingBlocks.clear();
119     OnlyStore = nullptr;
120     OnlyBlock = nullptr;
121     OnlyUsedInOneBlock = true;
122     AllocaPointerVal = nullptr;
123     DbgDeclare = nullptr;
124   }
125
126   /// Scan the uses of the specified alloca, filling in the AllocaInfo used
127   /// by the rest of the pass to reason about the uses of this alloca.
128   void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
129     clear();
130
131     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
132     // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
133     // the same basic block.
134     for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
135       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
136
137       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
138         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
139         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
140         AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
141         OnlyStore = SI;
142       } else {
143         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
144         // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
145         // reads.
146         UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
147         AllocaPointerVal = LI;
148       }
149
150       if (OnlyUsedInOneBlock) {
151         if (!OnlyBlock)
152           OnlyBlock = User->getParent();
153         else if (OnlyBlock != User->getParent())
154           OnlyUsedInOneBlock = false;
155       }
156     }
157
158     DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
159   }
160 };
161
162 // Data package used by RenamePass()
163 class RenamePassData {
164 public:
165   typedef std::vector<Value *> ValVector;
166
167   RenamePassData() : BB(nullptr), Pred(nullptr), Values() {}
168   RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P, const ValVector &V)
169       : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
170   BasicBlock *BB;
171   BasicBlock *Pred;
172   ValVector Values;
173
174   void swap(RenamePassData &RHS) {
175     std::swap(BB, RHS.BB);
176     std::swap(Pred, RHS.Pred);
177     Values.swap(RHS.Values);
178   }
179 };
180
181 /// \brief This assigns and keeps a per-bb relative ordering of load/store
182 /// instructions in the block that directly load or store an alloca.
183 ///
184 /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
185 /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
186 class LargeBlockInfo {
187   /// \brief For each instruction that we track, keep the index of the
188   /// instruction.
189   ///
190   /// The index starts out as the number of the instruction from the start of
191   /// the block.
192   DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
193
194 public:
195
196   /// This code only looks at accesses to allocas.
197   static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
198     return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
199            (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
200   }
201
202   /// Get or calculate the index of the specified instruction.
203   unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
204     assert(isInterestingInstruction(I) &&
205            "Not a load/store to/from an alloca?");
206
207     // If we already have this instruction number, return it.
208     DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
209     if (It != InstNumbers.end())
210       return It->second;
211
212     // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
213     // information for every interesting instruction in the block, in order to
214     // avoid gratuitus rescans.
215     const BasicBlock *BB = I->getParent();
216     unsigned InstNo = 0;
217     for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end(); BBI != E;
218          ++BBI)
219       if (isInterestingInstruction(BBI))
220         InstNumbers[BBI] = InstNo++;
221     It = InstNumbers.find(I);
222
223     assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
224     return It->second;
225   }
226
227   void deleteValue(const Instruction *I) { InstNumbers.erase(I); }
228
229   void clear() { InstNumbers.clear(); }
230 };
231
232 struct PromoteMem2Reg {
233   /// The alloca instructions being promoted.
234   std::vector<AllocaInst *> Allocas;
235   DominatorTree &DT;
236   DIBuilder DIB;
237
238   /// An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
239   AliasSetTracker *AST;
240
241   /// A cache of @llvm.assume intrinsics used by SimplifyInstruction.
242   AssumptionTracker *AT;
243
244   /// Reverse mapping of Allocas.
245   DenseMap<AllocaInst *, unsigned> AllocaLookup;
246
247   /// \brief The PhiNodes we're adding.
248   ///
249   /// That map is used to simplify some Phi nodes as we iterate over it, so
250   /// it should have deterministic iterators.  We could use a MapVector, but
251   /// since we already maintain a map from BasicBlock* to a stable numbering
252   /// (BBNumbers), the DenseMap is more efficient (also supports removal).
253   DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *> NewPhiNodes;
254
255   /// For each PHI node, keep track of which entry in Allocas it corresponds
256   /// to.
257   DenseMap<PHINode *, unsigned> PhiToAllocaMap;
258
259   /// If we are updating an AliasSetTracker, then for each alloca that is of
260   /// pointer type, we keep track of what to copyValue to the inserted PHI
261   /// nodes here.
262   std::vector<Value *> PointerAllocaValues;
263
264   /// For each alloca, we keep track of the dbg.declare intrinsic that
265   /// describes it, if any, so that we can convert it to a dbg.value
266   /// intrinsic if the alloca gets promoted.
267   SmallVector<DbgDeclareInst *, 8> AllocaDbgDeclares;
268
269   /// The set of basic blocks the renamer has already visited.
270   ///
271   SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
272
273   /// Contains a stable numbering of basic blocks to avoid non-determinstic
274   /// behavior.
275   DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BBNumbers;
276
277   /// Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
278   DenseMap<DomTreeNode *, unsigned> DomLevels;
279
280   /// Lazily compute the number of predecessors a block has.
281   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> BBNumPreds;
282
283 public:
284   PromoteMem2Reg(ArrayRef<AllocaInst *> Allocas, DominatorTree &DT,
285                  AliasSetTracker *AST, AssumptionTracker *AT)
286       : Allocas(Allocas.begin(), Allocas.end()), DT(DT),
287         DIB(*DT.getRoot()->getParent()->getParent()), AST(AST), AT(AT) {}
288
289   void run();
290
291 private:
292   void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
293     Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
294     Allocas.pop_back();
295     --AllocaIdx;
296   }
297
298   unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
299     unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
300     if (NP == 0)
301       NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB)) + 1;
302     return NP - 1;
303   }
304
305   void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
306                                AllocaInfo &Info);
307   void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
308                            const SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &DefBlocks,
309                            SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &LiveInBlocks);
310   void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
311                   RenamePassData::ValVector &IncVals,
312                   std::vector<RenamePassData> &Worklist);
313   bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
314 };
315
316 } // end of anonymous namespace
317
318 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
319   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
320   // instructions except for load and store.
321
322   for (auto UI = AI->user_begin(), UE = AI->user_end(); UI != UE;) {
323     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
324     ++UI;
325     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
326       continue;
327
328     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
329       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
330       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
331       // dead code elimination later.
332       for (auto UUI = I->user_begin(), UUE = I->user_end(); UUI != UUE;) {
333         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UUI);
334         ++UUI;
335         Inst->eraseFromParent();
336       }
337     }
338     I->eraseFromParent();
339   }
340 }
341
342 /// \brief Rewrite as many loads as possible given a single store.
343 ///
344 /// When there is only a single store, we can use the domtree to trivially
345 /// replace all of the dominated loads with the stored value. Do so, and return
346 /// true if this has successfully promoted the alloca entirely. If this returns
347 /// false there were some loads which were not dominated by the single store
348 /// and thus must be phi-ed with undef. We fall back to the standard alloca
349 /// promotion algorithm in that case.
350 static bool rewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
351                                      LargeBlockInfo &LBI,
352                                      DominatorTree &DT,
353                                      AliasSetTracker *AST) {
354   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
355   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
356   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
357   int StoreIndex = -1;
358
359   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
360   Info.UsingBlocks.clear();
361
362   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
363     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
364     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
365       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
366       continue;
367     }
368     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
369
370     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
371     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
372     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
373     // to insert the phi nodes as needed.
374     if (!StoringGlobalVal) { // Non-instructions are always dominated.
375       if (LI->getParent() == StoreBB) {
376         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
377         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
378         // load came before the store, we can't handle it.
379         if (StoreIndex == -1)
380           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
381
382         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
383           // Can't handle this load, bail out.
384           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
385           continue;
386         }
387
388       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
389                  !DT.dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
390         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
391         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
392         // out.
393         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
394         continue;
395       }
396     }
397
398     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
399     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
400     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
401     // code.
402     if (ReplVal == LI)
403       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
404     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
405     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
406       AST->deleteValue(LI);
407     LI->eraseFromParent();
408     LBI.deleteValue(LI);
409   }
410
411   // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
412   if (!Info.UsingBlocks.empty())
413     return false; // If not, we'll have to fall back for the remainder.
414
415   // Record debuginfo for the store and remove the declaration's
416   // debuginfo.
417   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
418     DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
419     ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, DIB);
420     DDI->eraseFromParent();
421     LBI.deleteValue(DDI);
422   }
423   // Remove the (now dead) store and alloca.
424   Info.OnlyStore->eraseFromParent();
425   LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
426
427   if (AST)
428     AST->deleteValue(AI);
429   AI->eraseFromParent();
430   LBI.deleteValue(AI);
431   return true;
432 }
433
434 /// Many allocas are only used within a single basic block.  If this is the
435 /// case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of potentially useless
436 /// PHI nodes by just performing a single linear pass over the basic block
437 /// using the Alloca.
438 ///
439 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
440 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
441 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
442 /// this is potentially correct:
443 ///
444 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
445 ///
446 /// ... so long as A is not used before undef is set.
447 static void promoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, const AllocaInfo &Info,
448                                      LargeBlockInfo &LBI,
449                                      AliasSetTracker *AST) {
450   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
451   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
452   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
453   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
454
455   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
456   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst *>, 64> StoresByIndexTy;
457   StoresByIndexTy StoresByIndex;
458
459   for (User *U : AI->users())
460     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U))
461       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
462
463   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
464   // binary search.
465   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(), less_first());
466
467   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
468   // store above them, if any.
469   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
470     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
471     if (!LI)
472       continue;
473
474     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
475
476     // Find the nearest store that has a lower index than this load.
477     StoresByIndexTy::iterator I =
478         std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
479                          std::make_pair(LoadIdx,
480                                         static_cast<StoreInst *>(nullptr)),
481                          less_first());
482
483     if (I == StoresByIndex.begin())
484       // If there is no store before this load, the load takes the undef value.
485       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
486     else
487       // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
488       LI->replaceAllUsesWith(std::prev(I)->second->getOperand(0));
489
490     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
491       AST->deleteValue(LI);
492     LI->eraseFromParent();
493     LBI.deleteValue(LI);
494   }
495
496   // Remove the (now dead) stores and alloca.
497   while (!AI->use_empty()) {
498     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->user_back());
499     // Record debuginfo for the store before removing it.
500     if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
501       DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
502       ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
503     }
504     SI->eraseFromParent();
505     LBI.deleteValue(SI);
506   }
507
508   if (AST)
509     AST->deleteValue(AI);
510   AI->eraseFromParent();
511   LBI.deleteValue(AI);
512
513   // The alloca's debuginfo can be removed as well.
514   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
515     DDI->eraseFromParent();
516     LBI.deleteValue(DDI);
517   }
518
519   ++NumLocalPromoted;
520 }
521
522 void PromoteMem2Reg::run() {
523   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
524
525   if (AST)
526     PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
527   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
528
529   AllocaInfo Info;
530   LargeBlockInfo LBI;
531
532   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
533     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
534
535     assert(isAllocaPromotable(AI) && "Cannot promote non-promotable alloca!");
536     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
537            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
538
539     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
540
541     if (AI->use_empty()) {
542       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
543       if (AST)
544         AST->deleteValue(AI);
545       AI->eraseFromParent();
546
547       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
548       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
549       ++NumDeadAlloca;
550       continue;
551     }
552
553     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
554     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
555     Info.AnalyzeAlloca(AI);
556
557     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
558     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
559     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
560       if (rewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI, DT, AST)) {
561         // The alloca has been processed, move on.
562         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
563         ++NumSingleStore;
564         continue;
565       }
566     }
567
568     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
569     // linear sweep over the block to eliminate it.
570     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
571       promoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI, AST);
572
573       // The alloca has been processed, move on.
574       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
575       continue;
576     }
577
578     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
579     if (DomLevels.empty()) {
580       SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
581
582       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
583       DomLevels[Root] = 0;
584       Worklist.push_back(Root);
585
586       while (!Worklist.empty()) {
587         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
588         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
589         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
590              CI != CE; ++CI) {
591           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
592           Worklist.push_back(*CI);
593         }
594       }
595     }
596
597     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
598     // now.
599     if (BBNumbers.empty()) {
600       unsigned ID = 0;
601       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
602         BBNumbers[I] = ID++;
603     }
604
605     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
606     // stored into the alloca.
607     if (AST)
608       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
609
610     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
611     if (Info.DbgDeclare)
612       AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
613
614     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
615     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
616
617     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
618     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
619     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
620     // dead phi nodes.
621     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
622   }
623
624   if (Allocas.empty())
625     return; // All of the allocas must have been trivial!
626
627   LBI.clear();
628
629   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
630   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
631   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
632   //
633   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
634   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
635     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
636
637   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
638   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
639   //
640   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
641   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), nullptr, Values));
642   do {
643     RenamePassData RPD;
644     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
645     RenamePassWorkList.pop_back();
646     // RenamePass may add new worklist entries.
647     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
648   } while (!RenamePassWorkList.empty());
649
650   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
651   Visited.clear();
652
653   // Remove the allocas themselves from the function.
654   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
655     Instruction *A = Allocas[i];
656
657     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
658     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
659     // tree. Just delete the users now.
660     if (!A->use_empty())
661       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
662     if (AST)
663       AST->deleteValue(A);
664     A->eraseFromParent();
665   }
666
667   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
668   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
669     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
670       DDI->eraseFromParent();
671
672   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
673   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
674   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
675   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
676   bool EliminatedAPHI = true;
677   while (EliminatedAPHI) {
678     EliminatedAPHI = false;
679
680     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
681     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
682     // the values we replace with in a non-deterministic order, thus creating
683     // non-deterministic def->use chains.
684     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
685              I = NewPhiNodes.begin(),
686              E = NewPhiNodes.end();
687          I != E;) {
688       PHINode *PN = I->second;
689
690       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
691       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, nullptr, nullptr, &DT, AT)) {
692         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
693           AST->deleteValue(PN);
694         PN->replaceAllUsesWith(V);
695         PN->eraseFromParent();
696         NewPhiNodes.erase(I++);
697         EliminatedAPHI = true;
698         continue;
699       }
700       ++I;
701     }
702   }
703
704   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
705   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
706   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
707   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
708   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
709   //
710   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
711            I = NewPhiNodes.begin(),
712            E = NewPhiNodes.end();
713        I != E; ++I) {
714     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
715     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
716     PHINode *SomePHI = I->second;
717     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
718     if (&BB->front() != SomePHI)
719       continue;
720
721     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
722     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
723     // number of incoming values, so we can just check any of them.
724     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
725       continue;
726
727     // Get the preds for BB.
728     SmallVector<BasicBlock *, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
729
730     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
731     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
732     // access.
733     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
734
735     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
736     // them from the Preds list.
737     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
738       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
739       SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator EntIt = std::lower_bound(
740           Preds.begin(), Preds.end(), SomePHI->getIncomingBlock(i));
741       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i) &&
742              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
743
744       // Remove the entry
745       Preds.erase(EntIt);
746     }
747
748     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
749     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
750     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
751     // mem2reg runs).
752     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
753     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
754     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
755            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
756       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
757       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
758         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
759     }
760   }
761
762   NewPhiNodes.clear();
763 }
764
765 /// \brief Determine which blocks the value is live in.
766 ///
767 /// These are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid
768 /// inserting PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the
769 /// inserted phi nodes would be dead).
770 void PromoteMem2Reg::ComputeLiveInBlocks(
771     AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
772     const SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &DefBlocks,
773     SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &LiveInBlocks) {
774
775   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
776   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
777   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
778   SmallVector<BasicBlock *, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
779                                                     Info.UsingBlocks.end());
780
781   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
782   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
783   // the value isn't really live-in.
784   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
785     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
786     if (!DefBlocks.count(BB))
787       continue;
788
789     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
790     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
791     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();; ++I) {
792       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
793         if (SI->getOperand(1) != AI)
794           continue;
795
796         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
797         // actually live-in here.
798         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
799         LiveInBlockWorklist.pop_back();
800         --i, --e;
801         break;
802       }
803
804       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
805         if (LI->getOperand(0) != AI)
806           continue;
807
808         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
809         // live into this block.
810         break;
811       }
812     }
813   }
814
815   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
816   // their predecessors until we find the full region the value is live.
817   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
818     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
819
820     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
821     // the set, then it has already been processed.
822     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
823       continue;
824
825     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
826     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
827     // defining block.
828     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
829       BasicBlock *P = *PI;
830
831       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
832       if (DefBlocks.count(P))
833         continue;
834
835       // Otherwise it is, add to the worklist.
836       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
837     }
838   }
839 }
840
841 /// At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and the
842 /// standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi nodes
843 /// and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of dead phi
844 /// nodes.
845 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
846                                              AllocaInfo &Info) {
847   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
848   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> DefBlocks;
849   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
850
851   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
852   // to uses.
853   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> LiveInBlocks;
854   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
855
856   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
857   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
858   typedef std::pair<DomTreeNode *, unsigned> DomTreeNodePair;
859   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
860                               less_second> IDFPriorityQueue;
861   IDFPriorityQueue PQ;
862
863   for (BasicBlock *BB : DefBlocks) {
864     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(BB))
865       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
866   }
867
868   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock *>, 32> DFBlocks;
869   SmallPtrSet<DomTreeNode *, 32> Visited;
870   SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
871   while (!PQ.empty()) {
872     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
873     PQ.pop();
874     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
875     unsigned RootLevel = RootPair.second;
876
877     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
878     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
879     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
880     // definition set.
881
882     Worklist.clear();
883     Worklist.push_back(Root);
884
885     while (!Worklist.empty()) {
886       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
887       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
888
889       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
890            ++SI) {
891         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
892
893         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
894         // of catching them below.
895         if (SuccNode->getIDom() == Node)
896           continue;
897
898         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
899         if (SuccLevel > RootLevel)
900           continue;
901
902         if (!Visited.insert(SuccNode))
903           continue;
904
905         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
906         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
907           continue;
908
909         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
910         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
911           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
912       }
913
914       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
915            ++CI) {
916         if (!Visited.count(*CI))
917           Worklist.push_back(*CI);
918       }
919     }
920   }
921
922   if (DFBlocks.size() > 1)
923     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
924
925   unsigned CurrentVersion = 0;
926   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
927     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
928 }
929
930 /// \brief Queue a phi-node to be added to a basic-block for a specific Alloca.
931 ///
932 /// Returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
933 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
934                                   unsigned &Version) {
935   // Look up the basic-block in question.
936   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
937
938   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
939   if (PN)
940     return false;
941
942   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
943   // BasicBlock.
944   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
945                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++),
946                        BB->begin());
947   ++NumPHIInsert;
948   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
949
950   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
951     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
952
953   return true;
954 }
955
956 /// \brief Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
957 /// stores to the allocas which we are promoting.
958 ///
959 /// IncomingVals indicates what value each Alloca contains on exit from the
960 /// predecessor block Pred.
961 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
962                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
963                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
964 NextIteration:
965   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
966   // block.
967   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
968     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
969     // BB.
970     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
971       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
972       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
973       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
974       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
975       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
976       // operands so far.  Remember this count.
977       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
978
979       unsigned NumEdges = std::count(succ_begin(Pred), succ_end(Pred), BB);
980       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
981
982       // Add entries for all the phis.
983       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
984       do {
985         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
986
987         // Add N incoming values to the PHI node.
988         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
989           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
990
991         // The currently active variable for this block is now the PHI.
992         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
993
994         // Get the next phi node.
995         ++PNI;
996         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
997         if (!APN)
998           break;
999
1000         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1001         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1002       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1003     }
1004   }
1005
1006   // Don't revisit blocks.
1007   if (!Visited.insert(BB))
1008     return;
1009
1010   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II);) {
1011     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1012
1013     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1014       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1015       if (!Src)
1016         continue;
1017
1018       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1019       if (AI == AllocaLookup.end())
1020         continue;
1021
1022       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1023
1024       // Anything using the load now uses the current value.
1025       LI->replaceAllUsesWith(V);
1026       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1027         AST->deleteValue(LI);
1028       BB->getInstList().erase(LI);
1029     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1030       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1031       // value
1032       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1033       if (!Dest)
1034         continue;
1035
1036       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1037       if (ai == AllocaLookup.end())
1038         continue;
1039
1040       // what value were we writing?
1041       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1042       // Record debuginfo for the store before removing it.
1043       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1044         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1045       BB->getInstList().erase(SI);
1046     }
1047   }
1048
1049   // 'Recurse' to our successors.
1050   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1051   if (I == E)
1052     return;
1053
1054   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1055   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> VisitedSuccs;
1056
1057   // Handle the first successor without using the worklist.
1058   VisitedSuccs.insert(*I);
1059   Pred = BB;
1060   BB = *I;
1061   ++I;
1062
1063   for (; I != E; ++I)
1064     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1065       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1066
1067   goto NextIteration;
1068 }
1069
1070 void llvm::PromoteMemToReg(ArrayRef<AllocaInst *> Allocas, DominatorTree &DT,
1071                            AliasSetTracker *AST, AssumptionTracker *AT) {
1072   // If there is nothing to do, bail out...
1073   if (Allocas.empty())
1074     return;
1075
1076   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST, AT).run();
1077 }