IR: Split Metadata from Value
[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(), /*AllowUnresolved*/ false),
288         AST(AST), AT(AT) {}
289
290   void run();
291
292 private:
293   void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
294     Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
295     Allocas.pop_back();
296     --AllocaIdx;
297   }
298
299   unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
300     unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
301     if (NP == 0)
302       NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB)) + 1;
303     return NP - 1;
304   }
305
306   void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
307                                AllocaInfo &Info);
308   void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
309                            const SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &DefBlocks,
310                            SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &LiveInBlocks);
311   void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
312                   RenamePassData::ValVector &IncVals,
313                   std::vector<RenamePassData> &Worklist);
314   bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
315 };
316
317 } // end of anonymous namespace
318
319 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
320   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
321   // instructions except for load and store.
322
323   for (auto UI = AI->user_begin(), UE = AI->user_end(); UI != UE;) {
324     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
325     ++UI;
326     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
327       continue;
328
329     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
330       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
331       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
332       // dead code elimination later.
333       for (auto UUI = I->user_begin(), UUE = I->user_end(); UUI != UUE;) {
334         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UUI);
335         ++UUI;
336         Inst->eraseFromParent();
337       }
338     }
339     I->eraseFromParent();
340   }
341 }
342
343 /// \brief Rewrite as many loads as possible given a single store.
344 ///
345 /// When there is only a single store, we can use the domtree to trivially
346 /// replace all of the dominated loads with the stored value. Do so, and return
347 /// true if this has successfully promoted the alloca entirely. If this returns
348 /// false there were some loads which were not dominated by the single store
349 /// and thus must be phi-ed with undef. We fall back to the standard alloca
350 /// promotion algorithm in that case.
351 static bool rewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
352                                      LargeBlockInfo &LBI,
353                                      DominatorTree &DT,
354                                      AliasSetTracker *AST) {
355   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
356   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
357   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
358   int StoreIndex = -1;
359
360   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
361   Info.UsingBlocks.clear();
362
363   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
364     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
365     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
366       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
367       continue;
368     }
369     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
370
371     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
372     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
373     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
374     // to insert the phi nodes as needed.
375     if (!StoringGlobalVal) { // Non-instructions are always dominated.
376       if (LI->getParent() == StoreBB) {
377         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
378         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
379         // load came before the store, we can't handle it.
380         if (StoreIndex == -1)
381           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
382
383         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
384           // Can't handle this load, bail out.
385           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
386           continue;
387         }
388
389       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
390                  !DT.dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
391         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
392         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
393         // out.
394         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
395         continue;
396       }
397     }
398
399     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
400     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
401     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
402     // code.
403     if (ReplVal == LI)
404       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
405     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
406     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
407       AST->deleteValue(LI);
408     LI->eraseFromParent();
409     LBI.deleteValue(LI);
410   }
411
412   // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
413   if (!Info.UsingBlocks.empty())
414     return false; // If not, we'll have to fall back for the remainder.
415
416   // Record debuginfo for the store and remove the declaration's
417   // debuginfo.
418   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
419     DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent(),
420                   /*AllowUnresolved*/ false);
421     ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, DIB);
422     DDI->eraseFromParent();
423     LBI.deleteValue(DDI);
424   }
425   // Remove the (now dead) store and alloca.
426   Info.OnlyStore->eraseFromParent();
427   LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
428
429   if (AST)
430     AST->deleteValue(AI);
431   AI->eraseFromParent();
432   LBI.deleteValue(AI);
433   return true;
434 }
435
436 /// Many allocas are only used within a single basic block.  If this is the
437 /// case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of potentially useless
438 /// PHI nodes by just performing a single linear pass over the basic block
439 /// using the Alloca.
440 ///
441 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
442 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
443 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
444 /// this is potentially correct:
445 ///
446 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
447 ///
448 /// ... so long as A is not used before undef is set.
449 static void promoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, const AllocaInfo &Info,
450                                      LargeBlockInfo &LBI,
451                                      AliasSetTracker *AST) {
452   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
453   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
454   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
455   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
456
457   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
458   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst *>, 64> StoresByIndexTy;
459   StoresByIndexTy StoresByIndex;
460
461   for (User *U : AI->users())
462     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U))
463       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
464
465   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
466   // binary search.
467   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(), less_first());
468
469   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
470   // store above them, if any.
471   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
472     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
473     if (!LI)
474       continue;
475
476     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
477
478     // Find the nearest store that has a lower index than this load.
479     StoresByIndexTy::iterator I =
480         std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
481                          std::make_pair(LoadIdx,
482                                         static_cast<StoreInst *>(nullptr)),
483                          less_first());
484
485     if (I == StoresByIndex.begin())
486       // If there is no store before this load, the load takes the undef value.
487       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
488     else
489       // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
490       LI->replaceAllUsesWith(std::prev(I)->second->getOperand(0));
491
492     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
493       AST->deleteValue(LI);
494     LI->eraseFromParent();
495     LBI.deleteValue(LI);
496   }
497
498   // Remove the (now dead) stores and alloca.
499   while (!AI->use_empty()) {
500     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->user_back());
501     // Record debuginfo for the store before removing it.
502     if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
503       DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent(),
504                     /*AllowUnresolved*/ false);
505       ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
506     }
507     SI->eraseFromParent();
508     LBI.deleteValue(SI);
509   }
510
511   if (AST)
512     AST->deleteValue(AI);
513   AI->eraseFromParent();
514   LBI.deleteValue(AI);
515
516   // The alloca's debuginfo can be removed as well.
517   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
518     DDI->eraseFromParent();
519     LBI.deleteValue(DDI);
520   }
521
522   ++NumLocalPromoted;
523 }
524
525 void PromoteMem2Reg::run() {
526   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
527
528   if (AST)
529     PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
530   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
531
532   AllocaInfo Info;
533   LargeBlockInfo LBI;
534
535   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
536     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
537
538     assert(isAllocaPromotable(AI) && "Cannot promote non-promotable alloca!");
539     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
540            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
541
542     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
543
544     if (AI->use_empty()) {
545       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
546       if (AST)
547         AST->deleteValue(AI);
548       AI->eraseFromParent();
549
550       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
551       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
552       ++NumDeadAlloca;
553       continue;
554     }
555
556     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
557     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
558     Info.AnalyzeAlloca(AI);
559
560     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
561     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
562     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
563       if (rewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI, DT, AST)) {
564         // The alloca has been processed, move on.
565         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
566         ++NumSingleStore;
567         continue;
568       }
569     }
570
571     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
572     // linear sweep over the block to eliminate it.
573     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
574       promoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI, AST);
575
576       // The alloca has been processed, move on.
577       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
578       continue;
579     }
580
581     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
582     if (DomLevels.empty()) {
583       SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
584
585       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
586       DomLevels[Root] = 0;
587       Worklist.push_back(Root);
588
589       while (!Worklist.empty()) {
590         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
591         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
592         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
593              CI != CE; ++CI) {
594           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
595           Worklist.push_back(*CI);
596         }
597       }
598     }
599
600     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
601     // now.
602     if (BBNumbers.empty()) {
603       unsigned ID = 0;
604       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
605         BBNumbers[I] = ID++;
606     }
607
608     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
609     // stored into the alloca.
610     if (AST)
611       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
612
613     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
614     if (Info.DbgDeclare)
615       AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
616
617     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
618     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
619
620     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
621     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
622     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
623     // dead phi nodes.
624     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
625   }
626
627   if (Allocas.empty())
628     return; // All of the allocas must have been trivial!
629
630   LBI.clear();
631
632   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
633   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
634   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
635   //
636   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
637   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
638     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
639
640   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
641   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
642   //
643   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
644   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), nullptr, Values));
645   do {
646     RenamePassData RPD;
647     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
648     RenamePassWorkList.pop_back();
649     // RenamePass may add new worklist entries.
650     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
651   } while (!RenamePassWorkList.empty());
652
653   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
654   Visited.clear();
655
656   // Remove the allocas themselves from the function.
657   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
658     Instruction *A = Allocas[i];
659
660     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
661     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
662     // tree. Just delete the users now.
663     if (!A->use_empty())
664       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
665     if (AST)
666       AST->deleteValue(A);
667     A->eraseFromParent();
668   }
669
670   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
671   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
672     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
673       DDI->eraseFromParent();
674
675   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
676   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
677   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
678   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
679   bool EliminatedAPHI = true;
680   while (EliminatedAPHI) {
681     EliminatedAPHI = false;
682
683     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
684     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
685     // the values we replace with in a non-deterministic order, thus creating
686     // non-deterministic def->use chains.
687     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
688              I = NewPhiNodes.begin(),
689              E = NewPhiNodes.end();
690          I != E;) {
691       PHINode *PN = I->second;
692
693       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
694       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, nullptr, nullptr, &DT, AT)) {
695         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
696           AST->deleteValue(PN);
697         PN->replaceAllUsesWith(V);
698         PN->eraseFromParent();
699         NewPhiNodes.erase(I++);
700         EliminatedAPHI = true;
701         continue;
702       }
703       ++I;
704     }
705   }
706
707   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
708   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
709   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
710   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
711   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
712   //
713   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
714            I = NewPhiNodes.begin(),
715            E = NewPhiNodes.end();
716        I != E; ++I) {
717     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
718     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
719     PHINode *SomePHI = I->second;
720     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
721     if (&BB->front() != SomePHI)
722       continue;
723
724     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
725     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
726     // number of incoming values, so we can just check any of them.
727     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
728       continue;
729
730     // Get the preds for BB.
731     SmallVector<BasicBlock *, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
732
733     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
734     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
735     // access.
736     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
737
738     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
739     // them from the Preds list.
740     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
741       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
742       SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator EntIt = std::lower_bound(
743           Preds.begin(), Preds.end(), SomePHI->getIncomingBlock(i));
744       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i) &&
745              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
746
747       // Remove the entry
748       Preds.erase(EntIt);
749     }
750
751     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
752     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
753     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
754     // mem2reg runs).
755     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
756     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
757     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
758            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
759       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
760       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
761         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
762     }
763   }
764
765   NewPhiNodes.clear();
766 }
767
768 /// \brief Determine which blocks the value is live in.
769 ///
770 /// These are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid
771 /// inserting PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the
772 /// inserted phi nodes would be dead).
773 void PromoteMem2Reg::ComputeLiveInBlocks(
774     AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
775     const SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &DefBlocks,
776     SmallPtrSetImpl<BasicBlock *> &LiveInBlocks) {
777
778   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
779   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
780   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
781   SmallVector<BasicBlock *, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
782                                                     Info.UsingBlocks.end());
783
784   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
785   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
786   // the value isn't really live-in.
787   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
788     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
789     if (!DefBlocks.count(BB))
790       continue;
791
792     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
793     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
794     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();; ++I) {
795       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
796         if (SI->getOperand(1) != AI)
797           continue;
798
799         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
800         // actually live-in here.
801         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
802         LiveInBlockWorklist.pop_back();
803         --i, --e;
804         break;
805       }
806
807       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
808         if (LI->getOperand(0) != AI)
809           continue;
810
811         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
812         // live into this block.
813         break;
814       }
815     }
816   }
817
818   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
819   // their predecessors until we find the full region the value is live.
820   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
821     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
822
823     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
824     // the set, then it has already been processed.
825     if (!LiveInBlocks.insert(BB).second)
826       continue;
827
828     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
829     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
830     // defining block.
831     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
832       BasicBlock *P = *PI;
833
834       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
835       if (DefBlocks.count(P))
836         continue;
837
838       // Otherwise it is, add to the worklist.
839       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
840     }
841   }
842 }
843
844 /// At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and the
845 /// standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi nodes
846 /// and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of dead phi
847 /// nodes.
848 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
849                                              AllocaInfo &Info) {
850   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
851   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> DefBlocks;
852   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
853
854   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
855   // to uses.
856   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> LiveInBlocks;
857   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
858
859   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
860   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
861   typedef std::pair<DomTreeNode *, unsigned> DomTreeNodePair;
862   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
863                               less_second> IDFPriorityQueue;
864   IDFPriorityQueue PQ;
865
866   for (BasicBlock *BB : DefBlocks) {
867     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(BB))
868       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
869   }
870
871   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock *>, 32> DFBlocks;
872   SmallPtrSet<DomTreeNode *, 32> Visited;
873   SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
874   while (!PQ.empty()) {
875     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
876     PQ.pop();
877     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
878     unsigned RootLevel = RootPair.second;
879
880     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
881     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
882     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
883     // definition set.
884
885     Worklist.clear();
886     Worklist.push_back(Root);
887
888     while (!Worklist.empty()) {
889       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
890       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
891
892       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
893            ++SI) {
894         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
895
896         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
897         // of catching them below.
898         if (SuccNode->getIDom() == Node)
899           continue;
900
901         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
902         if (SuccLevel > RootLevel)
903           continue;
904
905         if (!Visited.insert(SuccNode).second)
906           continue;
907
908         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
909         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
910           continue;
911
912         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
913         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
914           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
915       }
916
917       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
918            ++CI) {
919         if (!Visited.count(*CI))
920           Worklist.push_back(*CI);
921       }
922     }
923   }
924
925   if (DFBlocks.size() > 1)
926     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
927
928   unsigned CurrentVersion = 0;
929   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
930     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
931 }
932
933 /// \brief Queue a phi-node to be added to a basic-block for a specific Alloca.
934 ///
935 /// Returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
936 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
937                                   unsigned &Version) {
938   // Look up the basic-block in question.
939   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
940
941   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
942   if (PN)
943     return false;
944
945   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
946   // BasicBlock.
947   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
948                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++),
949                        BB->begin());
950   ++NumPHIInsert;
951   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
952
953   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
954     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
955
956   return true;
957 }
958
959 /// \brief Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
960 /// stores to the allocas which we are promoting.
961 ///
962 /// IncomingVals indicates what value each Alloca contains on exit from the
963 /// predecessor block Pred.
964 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
965                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
966                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
967 NextIteration:
968   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
969   // block.
970   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
971     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
972     // BB.
973     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
974       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
975       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
976       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
977       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
978       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
979       // operands so far.  Remember this count.
980       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
981
982       unsigned NumEdges = std::count(succ_begin(Pred), succ_end(Pred), BB);
983       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
984
985       // Add entries for all the phis.
986       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
987       do {
988         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
989
990         // Add N incoming values to the PHI node.
991         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
992           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
993
994         // The currently active variable for this block is now the PHI.
995         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
996
997         // Get the next phi node.
998         ++PNI;
999         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1000         if (!APN)
1001           break;
1002
1003         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1004         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1005       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1006     }
1007   }
1008
1009   // Don't revisit blocks.
1010   if (!Visited.insert(BB).second)
1011     return;
1012
1013   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II);) {
1014     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1015
1016     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1017       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1018       if (!Src)
1019         continue;
1020
1021       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1022       if (AI == AllocaLookup.end())
1023         continue;
1024
1025       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1026
1027       // Anything using the load now uses the current value.
1028       LI->replaceAllUsesWith(V);
1029       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1030         AST->deleteValue(LI);
1031       BB->getInstList().erase(LI);
1032     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1033       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1034       // value
1035       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1036       if (!Dest)
1037         continue;
1038
1039       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1040       if (ai == AllocaLookup.end())
1041         continue;
1042
1043       // what value were we writing?
1044       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1045       // Record debuginfo for the store before removing it.
1046       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1047         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1048       BB->getInstList().erase(SI);
1049     }
1050   }
1051
1052   // 'Recurse' to our successors.
1053   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1054   if (I == E)
1055     return;
1056
1057   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1058   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> VisitedSuccs;
1059
1060   // Handle the first successor without using the worklist.
1061   VisitedSuccs.insert(*I);
1062   Pred = BB;
1063   BB = *I;
1064   ++I;
1065
1066   for (; I != E; ++I)
1067     if (VisitedSuccs.insert(*I).second)
1068       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1069
1070   goto NextIteration;
1071 }
1072
1073 void llvm::PromoteMemToReg(ArrayRef<AllocaInst *> Allocas, DominatorTree &DT,
1074                            AliasSetTracker *AST, AssumptionTracker *AT) {
1075   // If there is nothing to do, bail out...
1076   if (Allocas.empty())
1077     return;
1078
1079   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST, AT).run();
1080 }