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