25fab896ea427692ff7a8b4f3887f6884f80dd7e
[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 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
30 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
31 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
32 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
38 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
39 #include "llvm/IR/CFG.h"
40 #include "llvm/IR/Constants.h"
41 #include "llvm/IR/DIBuilder.h"
42 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
43 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
44 #include "llvm/IR/Dominators.h"
45 #include "llvm/IR/Function.h"
46 #include "llvm/IR/Instructions.h"
47 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
48 #include "llvm/IR/Metadata.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <queue>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
55 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
56 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
57 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
58
59 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
60   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
61   // assignments to subsections of the memory unit.
62
63   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
64   for (const User *U : AI->users()) {
65     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
66       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
67       // not have any meaning for a local alloca.
68       if (LI->isVolatile())
69         return false;
70     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
71       if (SI->getOperand(0) == AI)
72         return false; // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
73       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
74       // not have any meaning for a local alloca.
75       if (SI->isVolatile())
76         return false;
77     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
78       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
79           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
80         return false;
81     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
82       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
83         return false;
84       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
85         return false;
86     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
87       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
88         return false;
89       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
90         return false;
91       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
92         return false;
93     } else {
94       return false;
95     }
96   }
97
98   return true;
99 }
100
101 namespace {
102
103 struct AllocaInfo {
104   SmallVector<BasicBlock *, 32> DefiningBlocks;
105   SmallVector<BasicBlock *, 32> UsingBlocks;
106
107   StoreInst *OnlyStore;
108   BasicBlock *OnlyBlock;
109   bool OnlyUsedInOneBlock;
110
111   Value *AllocaPointerVal;
112   DbgDeclareInst *DbgDeclare;
113
114   void clear() {
115     DefiningBlocks.clear();
116     UsingBlocks.clear();
117     OnlyStore = 0;
118     OnlyBlock = 0;
119     OnlyUsedInOneBlock = true;
120     AllocaPointerVal = 0;
121     DbgDeclare = 0;
122   }
123
124   /// Scan the uses of the specified alloca, filling in the AllocaInfo used
125   /// by the rest of the pass to reason about the uses of this alloca.
126   void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
127     clear();
128
129     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
130     // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
131     // the same basic block.
132     for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
133       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
134
135       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
136         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
137         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
138         AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
139         OnlyStore = SI;
140       } else {
141         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
142         // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
143         // reads.
144         UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
145         AllocaPointerVal = LI;
146       }
147
148       if (OnlyUsedInOneBlock) {
149         if (OnlyBlock == 0)
150           OnlyBlock = User->getParent();
151         else if (OnlyBlock != User->getParent())
152           OnlyUsedInOneBlock = false;
153       }
154     }
155
156     DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
157   }
158 };
159
160 // Data package used by RenamePass()
161 class RenamePassData {
162 public:
163   typedef std::vector<Value *> ValVector;
164
165   RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
166   RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P, const ValVector &V)
167       : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
168   BasicBlock *BB;
169   BasicBlock *Pred;
170   ValVector Values;
171
172   void swap(RenamePassData &RHS) {
173     std::swap(BB, RHS.BB);
174     std::swap(Pred, RHS.Pred);
175     Values.swap(RHS.Values);
176   }
177 };
178
179 /// \brief This assigns and keeps a per-bb relative ordering of load/store
180 /// instructions in the block that directly load or store an alloca.
181 ///
182 /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
183 /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
184 class LargeBlockInfo {
185   /// \brief For each instruction that we track, keep the index of the
186   /// instruction.
187   ///
188   /// The index starts out as the number of the instruction from the start of
189   /// the block.
190   DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
191
192 public:
193
194   /// This code only looks at accesses to allocas.
195   static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
196     return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
197            (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
198   }
199
200   /// Get or calculate the index of the specified instruction.
201   unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
202     assert(isInterestingInstruction(I) &&
203            "Not a load/store to/from an alloca?");
204
205     // If we already have this instruction number, return it.
206     DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
207     if (It != InstNumbers.end())
208       return It->second;
209
210     // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
211     // information for every interesting instruction in the block, in order to
212     // avoid gratuitus rescans.
213     const BasicBlock *BB = I->getParent();
214     unsigned InstNo = 0;
215     for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end(); BBI != E;
216          ++BBI)
217       if (isInterestingInstruction(BBI))
218         InstNumbers[BBI] = InstNo++;
219     It = InstNumbers.find(I);
220
221     assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
222     return It->second;
223   }
224
225   void deleteValue(const Instruction *I) { InstNumbers.erase(I); }
226
227   void clear() { InstNumbers.clear(); }
228 };
229
230 struct PromoteMem2Reg {
231   /// The alloca instructions being promoted.
232   std::vector<AllocaInst *> Allocas;
233   DominatorTree &DT;
234   DIBuilder DIB;
235
236   /// An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
237   AliasSetTracker *AST;
238
239   /// Reverse mapping of Allocas.
240   DenseMap<AllocaInst *, unsigned> AllocaLookup;
241
242   /// \brief The PhiNodes we're adding.
243   ///
244   /// That map is used to simplify some Phi nodes as we iterate over it, so
245   /// it should have deterministic iterators.  We could use a MapVector, but
246   /// since we already maintain a map from BasicBlock* to a stable numbering
247   /// (BBNumbers), the DenseMap is more efficient (also supports removal).
248   DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *> NewPhiNodes;
249
250   /// For each PHI node, keep track of which entry in Allocas it corresponds
251   /// to.
252   DenseMap<PHINode *, unsigned> PhiToAllocaMap;
253
254   /// If we are updating an AliasSetTracker, then for each alloca that is of
255   /// pointer type, we keep track of what to copyValue to the inserted PHI
256   /// nodes here.
257   std::vector<Value *> PointerAllocaValues;
258
259   /// For each alloca, we keep track of the dbg.declare intrinsic that
260   /// describes it, if any, so that we can convert it to a dbg.value
261   /// intrinsic if the alloca gets promoted.
262   SmallVector<DbgDeclareInst *, 8> AllocaDbgDeclares;
263
264   /// The set of basic blocks the renamer has already visited.
265   ///
266   SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
267
268   /// Contains a stable numbering of basic blocks to avoid non-determinstic
269   /// behavior.
270   DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BBNumbers;
271
272   /// Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
273   DenseMap<DomTreeNode *, unsigned> DomLevels;
274
275   /// Lazily compute the number of predecessors a block has.
276   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> BBNumPreds;
277
278 public:
279   PromoteMem2Reg(ArrayRef<AllocaInst *> Allocas, DominatorTree &DT,
280                  AliasSetTracker *AST)
281       : Allocas(Allocas.begin(), Allocas.end()), DT(DT),
282         DIB(*DT.getRoot()->getParent()->getParent()), AST(AST) {}
283
284   void run();
285
286 private:
287   void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
288     Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
289     Allocas.pop_back();
290     --AllocaIdx;
291   }
292
293   unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
294     unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
295     if (NP == 0)
296       NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB)) + 1;
297     return NP - 1;
298   }
299
300   void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
301                                AllocaInfo &Info);
302   void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
303                            const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
304                            SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks);
305   void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
306                   RenamePassData::ValVector &IncVals,
307                   std::vector<RenamePassData> &Worklist);
308   bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
309 };
310
311 } // end of anonymous namespace
312
313 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
314   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
315   // instructions except for load and store.
316
317   for (auto UI = AI->user_begin(), UE = AI->user_end(); UI != UE;) {
318     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
319     ++UI;
320     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
321       continue;
322
323     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
324       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
325       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
326       // dead code elimination later.
327       for (auto UUI = I->user_begin(), UUE = I->user_end(); UUI != UUE;) {
328         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UUI);
329         ++UUI;
330         Inst->eraseFromParent();
331       }
332     }
333     I->eraseFromParent();
334   }
335 }
336
337 /// \brief Rewrite as many loads as possible given a single store.
338 ///
339 /// When there is only a single store, we can use the domtree to trivially
340 /// replace all of the dominated loads with the stored value. Do so, and return
341 /// true if this has successfully promoted the alloca entirely. If this returns
342 /// false there were some loads which were not dominated by the single store
343 /// and thus must be phi-ed with undef. We fall back to the standard alloca
344 /// promotion algorithm in that case.
345 static bool rewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
346                                      LargeBlockInfo &LBI,
347                                      DominatorTree &DT,
348                                      AliasSetTracker *AST) {
349   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
350   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
351   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
352   int StoreIndex = -1;
353
354   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
355   Info.UsingBlocks.clear();
356
357   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
358     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
359     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
360       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
361       continue;
362     }
363     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
364
365     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
366     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
367     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
368     // to insert the phi nodes as needed.
369     if (!StoringGlobalVal) { // Non-instructions are always dominated.
370       if (LI->getParent() == StoreBB) {
371         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
372         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
373         // load came before the store, we can't handle it.
374         if (StoreIndex == -1)
375           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
376
377         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
378           // Can't handle this load, bail out.
379           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
380           continue;
381         }
382
383       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
384                  !DT.dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
385         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
386         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
387         // out.
388         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
389         continue;
390       }
391     }
392
393     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
394     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
395     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
396     // code.
397     if (ReplVal == LI)
398       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
399     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
400     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
401       AST->deleteValue(LI);
402     LI->eraseFromParent();
403     LBI.deleteValue(LI);
404   }
405
406   // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
407   if (!Info.UsingBlocks.empty())
408     return false; // If not, we'll have to fall back for the remainder.
409
410   // Record debuginfo for the store and remove the declaration's
411   // debuginfo.
412   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
413     DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
414     ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, DIB);
415     DDI->eraseFromParent();
416     LBI.deleteValue(DDI);
417   }
418   // Remove the (now dead) store and alloca.
419   Info.OnlyStore->eraseFromParent();
420   LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
421
422   if (AST)
423     AST->deleteValue(AI);
424   AI->eraseFromParent();
425   LBI.deleteValue(AI);
426   return true;
427 }
428
429 /// Many allocas are only used within a single basic block.  If this is the
430 /// case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of potentially useless
431 /// PHI nodes by just performing a single linear pass over the basic block
432 /// using the Alloca.
433 ///
434 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
435 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
436 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
437 /// this is potentially correct:
438 ///
439 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
440 ///
441 /// ... so long as A is not used before undef is set.
442 static void promoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, const AllocaInfo &Info,
443                                      LargeBlockInfo &LBI,
444                                      AliasSetTracker *AST) {
445   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
446   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
447   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
448   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
449
450   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
451   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst *>, 64> StoresByIndexTy;
452   StoresByIndexTy StoresByIndex;
453
454   for (User *U : AI->users())
455     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U))
456       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
457
458   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
459   // binary search.
460   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(), less_first());
461
462   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
463   // store above them, if any.
464   for (auto UI = AI->user_begin(), E = AI->user_end(); UI != E;) {
465     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
466     if (!LI)
467       continue;
468
469     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
470
471     // Find the nearest store that has a lower index than this load.
472     StoresByIndexTy::iterator I =
473         std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
474                          std::make_pair(LoadIdx, static_cast<StoreInst *>(0)),
475                          less_first());
476
477     if (I == StoresByIndex.begin())
478       // If there is no store before this load, the load takes the undef value.
479       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
480     else
481       // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
482       LI->replaceAllUsesWith(std::prev(I)->second->getOperand(0));
483
484     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
485       AST->deleteValue(LI);
486     LI->eraseFromParent();
487     LBI.deleteValue(LI);
488   }
489
490   // Remove the (now dead) stores and alloca.
491   while (!AI->use_empty()) {
492     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->user_back());
493     // Record debuginfo for the store before removing it.
494     if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
495       DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
496       ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
497     }
498     SI->eraseFromParent();
499     LBI.deleteValue(SI);
500   }
501
502   if (AST)
503     AST->deleteValue(AI);
504   AI->eraseFromParent();
505   LBI.deleteValue(AI);
506
507   // The alloca's debuginfo can be removed as well.
508   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
509     DDI->eraseFromParent();
510     LBI.deleteValue(DDI);
511   }
512
513   ++NumLocalPromoted;
514 }
515
516 void PromoteMem2Reg::run() {
517   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
518
519   if (AST)
520     PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
521   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
522
523   AllocaInfo Info;
524   LargeBlockInfo LBI;
525
526   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
527     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
528
529     assert(isAllocaPromotable(AI) && "Cannot promote non-promotable alloca!");
530     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
531            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
532
533     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
534
535     if (AI->use_empty()) {
536       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
537       if (AST)
538         AST->deleteValue(AI);
539       AI->eraseFromParent();
540
541       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
542       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
543       ++NumDeadAlloca;
544       continue;
545     }
546
547     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
548     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
549     Info.AnalyzeAlloca(AI);
550
551     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
552     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
553     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
554       if (rewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI, DT, AST)) {
555         // The alloca has been processed, move on.
556         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
557         ++NumSingleStore;
558         continue;
559       }
560     }
561
562     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
563     // linear sweep over the block to eliminate it.
564     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
565       promoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI, AST);
566
567       // The alloca has been processed, move on.
568       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
569       continue;
570     }
571
572     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
573     if (DomLevels.empty()) {
574       SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
575
576       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
577       DomLevels[Root] = 0;
578       Worklist.push_back(Root);
579
580       while (!Worklist.empty()) {
581         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
582         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
583         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
584              CI != CE; ++CI) {
585           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
586           Worklist.push_back(*CI);
587         }
588       }
589     }
590
591     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
592     // now.
593     if (BBNumbers.empty()) {
594       unsigned ID = 0;
595       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
596         BBNumbers[I] = ID++;
597     }
598
599     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
600     // stored into the alloca.
601     if (AST)
602       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
603
604     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
605     if (Info.DbgDeclare)
606       AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
607
608     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
609     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
610
611     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
612     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
613     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
614     // dead phi nodes.
615     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
616   }
617
618   if (Allocas.empty())
619     return; // All of the allocas must have been trivial!
620
621   LBI.clear();
622
623   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
624   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
625   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
626   //
627   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
628   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
629     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
630
631   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
632   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
633   //
634   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
635   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
636   do {
637     RenamePassData RPD;
638     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
639     RenamePassWorkList.pop_back();
640     // RenamePass may add new worklist entries.
641     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
642   } while (!RenamePassWorkList.empty());
643
644   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
645   Visited.clear();
646
647   // Remove the allocas themselves from the function.
648   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
649     Instruction *A = Allocas[i];
650
651     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
652     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
653     // tree. Just delete the users now.
654     if (!A->use_empty())
655       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
656     if (AST)
657       AST->deleteValue(A);
658     A->eraseFromParent();
659   }
660
661   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
662   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
663     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
664       DDI->eraseFromParent();
665
666   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
667   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
668   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
669   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
670   bool EliminatedAPHI = true;
671   while (EliminatedAPHI) {
672     EliminatedAPHI = false;
673
674     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
675     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
676     // the values we replace with in a non-deterministic order, thus creating
677     // non-deterministic def->use chains.
678     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
679              I = NewPhiNodes.begin(),
680              E = NewPhiNodes.end();
681          I != E;) {
682       PHINode *PN = I->second;
683
684       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
685       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, &DT)) {
686         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
687           AST->deleteValue(PN);
688         PN->replaceAllUsesWith(V);
689         PN->eraseFromParent();
690         NewPhiNodes.erase(I++);
691         EliminatedAPHI = true;
692         continue;
693       }
694       ++I;
695     }
696   }
697
698   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
699   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
700   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
701   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
702   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
703   //
704   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
705            I = NewPhiNodes.begin(),
706            E = NewPhiNodes.end();
707        I != E; ++I) {
708     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
709     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
710     PHINode *SomePHI = I->second;
711     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
712     if (&BB->front() != SomePHI)
713       continue;
714
715     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
716     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
717     // number of incoming values, so we can just check any of them.
718     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
719       continue;
720
721     // Get the preds for BB.
722     SmallVector<BasicBlock *, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
723
724     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
725     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
726     // access.
727     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
728
729     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
730     // them from the Preds list.
731     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
732       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
733       SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator EntIt = std::lower_bound(
734           Preds.begin(), Preds.end(), SomePHI->getIncomingBlock(i));
735       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i) &&
736              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
737
738       // Remove the entry
739       Preds.erase(EntIt);
740     }
741
742     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
743     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
744     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
745     // mem2reg runs).
746     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
747     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
748     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
749            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
750       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
751       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
752         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
753     }
754   }
755
756   NewPhiNodes.clear();
757 }
758
759 /// \brief Determine which blocks the value is live in.
760 ///
761 /// These are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid
762 /// inserting PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the
763 /// inserted phi nodes would be dead).
764 void PromoteMem2Reg::ComputeLiveInBlocks(
765     AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
766     const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
767     SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks) {
768
769   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
770   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
771   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
772   SmallVector<BasicBlock *, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
773                                                     Info.UsingBlocks.end());
774
775   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
776   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
777   // the value isn't really live-in.
778   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
779     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
780     if (!DefBlocks.count(BB))
781       continue;
782
783     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
784     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
785     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();; ++I) {
786       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
787         if (SI->getOperand(1) != AI)
788           continue;
789
790         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
791         // actually live-in here.
792         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
793         LiveInBlockWorklist.pop_back();
794         --i, --e;
795         break;
796       }
797
798       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
799         if (LI->getOperand(0) != AI)
800           continue;
801
802         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
803         // live into this block.
804         break;
805       }
806     }
807   }
808
809   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
810   // their predecessors until we find the full region the value is live.
811   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
812     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
813
814     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
815     // the set, then it has already been processed.
816     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
817       continue;
818
819     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
820     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
821     // defining block.
822     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
823       BasicBlock *P = *PI;
824
825       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
826       if (DefBlocks.count(P))
827         continue;
828
829       // Otherwise it is, add to the worklist.
830       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
831     }
832   }
833 }
834
835 /// At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and the
836 /// standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi nodes
837 /// and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of dead phi
838 /// nodes.
839 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
840                                              AllocaInfo &Info) {
841   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
842   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> DefBlocks;
843   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
844
845   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
846   // to uses.
847   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> LiveInBlocks;
848   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
849
850   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
851   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
852   typedef std::pair<DomTreeNode *, unsigned> DomTreeNodePair;
853   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
854                               less_second> IDFPriorityQueue;
855   IDFPriorityQueue PQ;
856
857   for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
858                                                      E = DefBlocks.end();
859        I != E; ++I) {
860     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
861       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
862   }
863
864   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock *>, 32> DFBlocks;
865   SmallPtrSet<DomTreeNode *, 32> Visited;
866   SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
867   while (!PQ.empty()) {
868     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
869     PQ.pop();
870     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
871     unsigned RootLevel = RootPair.second;
872
873     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
874     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
875     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
876     // definition set.
877
878     Worklist.clear();
879     Worklist.push_back(Root);
880
881     while (!Worklist.empty()) {
882       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
883       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
884
885       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
886            ++SI) {
887         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
888
889         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
890         // of catching them below.
891         if (SuccNode->getIDom() == Node)
892           continue;
893
894         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
895         if (SuccLevel > RootLevel)
896           continue;
897
898         if (!Visited.insert(SuccNode))
899           continue;
900
901         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
902         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
903           continue;
904
905         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
906         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
907           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
908       }
909
910       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
911            ++CI) {
912         if (!Visited.count(*CI))
913           Worklist.push_back(*CI);
914       }
915     }
916   }
917
918   if (DFBlocks.size() > 1)
919     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
920
921   unsigned CurrentVersion = 0;
922   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
923     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
924 }
925
926 /// \brief Queue a phi-node to be added to a basic-block for a specific Alloca.
927 ///
928 /// Returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
929 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
930                                   unsigned &Version) {
931   // Look up the basic-block in question.
932   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
933
934   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
935   if (PN)
936     return false;
937
938   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
939   // BasicBlock.
940   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
941                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++),
942                        BB->begin());
943   ++NumPHIInsert;
944   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
945
946   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
947     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
948
949   return true;
950 }
951
952 /// \brief Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
953 /// stores to the allocas which we are promoting.
954 ///
955 /// IncomingVals indicates what value each Alloca contains on exit from the
956 /// predecessor block Pred.
957 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
958                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
959                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
960 NextIteration:
961   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
962   // block.
963   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
964     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
965     // BB.
966     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
967       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
968       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
969       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
970       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
971       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
972       // operands so far.  Remember this count.
973       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
974
975       unsigned NumEdges = std::count(succ_begin(Pred), succ_end(Pred), BB);
976       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
977
978       // Add entries for all the phis.
979       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
980       do {
981         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
982
983         // Add N incoming values to the PHI node.
984         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
985           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
986
987         // The currently active variable for this block is now the PHI.
988         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
989
990         // Get the next phi node.
991         ++PNI;
992         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
993         if (APN == 0)
994           break;
995
996         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
997         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
998       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
999     }
1000   }
1001
1002   // Don't revisit blocks.
1003   if (!Visited.insert(BB))
1004     return;
1005
1006   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II);) {
1007     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1008
1009     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1010       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1011       if (!Src)
1012         continue;
1013
1014       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1015       if (AI == AllocaLookup.end())
1016         continue;
1017
1018       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1019
1020       // Anything using the load now uses the current value.
1021       LI->replaceAllUsesWith(V);
1022       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1023         AST->deleteValue(LI);
1024       BB->getInstList().erase(LI);
1025     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1026       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1027       // value
1028       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1029       if (!Dest)
1030         continue;
1031
1032       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1033       if (ai == AllocaLookup.end())
1034         continue;
1035
1036       // what value were we writing?
1037       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1038       // Record debuginfo for the store before removing it.
1039       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1040         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1041       BB->getInstList().erase(SI);
1042     }
1043   }
1044
1045   // 'Recurse' to our successors.
1046   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1047   if (I == E)
1048     return;
1049
1050   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1051   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> VisitedSuccs;
1052
1053   // Handle the first successor without using the worklist.
1054   VisitedSuccs.insert(*I);
1055   Pred = BB;
1056   BB = *I;
1057   ++I;
1058
1059   for (; I != E; ++I)
1060     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1061       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1062
1063   goto NextIteration;
1064 }
1065
1066 void llvm::PromoteMemToReg(ArrayRef<AllocaInst *> Allocas, DominatorTree &DT,
1067                            AliasSetTracker *AST) {
1068   // If there is nothing to do, bail out...
1069   if (Allocas.empty())
1070     return;
1071
1072   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1073 }