Switch obvious clients to Twine instead of utostr (when they were already using
[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 dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
13 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
14 // This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
15 // SSA form.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
20 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
21 #include "llvm/Constants.h"
22 #include "llvm/DerivedTypes.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/Instructions.h"
25 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
26 #include "llvm/LLVMContext.h"
27 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
28 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
29 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
34 #include "llvm/Support/CFG.h"
35 #include "llvm/Support/Compiler.h"
36 #include <algorithm>
37 using namespace llvm;
38
39 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
40 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
41 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
42 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
43
44 // Provide DenseMapInfo for all pointers.
45 namespace llvm {
46 template<>
47 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
48   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
49   static inline EltTy getEmptyKey() {
50     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
51   }
52   static inline EltTy getTombstoneKey() {
53     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
54   }
55   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
56     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
57   }
58   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
59     return LHS == RHS;
60   }
61   static bool isPod() { return true; }
62 };
63 }
64
65 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
66 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
67 ///
68 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
69   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
70   // assignments to subsections of the memory unit.
71
72   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
73   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
74        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
75     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
76       if (LI->isVolatile())
77         return false;
78     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
79       if (SI->getOperand(0) == AI)
80         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
81       if (SI->isVolatile())
82         return false;
83     } else if (const BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(*UI)) {
84       // A bitcast that does not feed into debug info inhibits promotion.
85       if (!BC->hasOneUse() || !isa<DbgInfoIntrinsic>(*BC->use_begin()))
86         return false;
87       // If the only use is by debug info, this alloca will not exist in
88       // non-debug code, so don't try to promote; this ensures the same
89       // codegen with debug info.  Otherwise, debug info should not
90       // inhibit promotion (but we must examine other uses).
91       if (AI->hasOneUse())
92         return false;
93     } else {
94       return false;
95     }
96
97   return true;
98 }
99
100 namespace {
101   struct AllocaInfo;
102
103   // Data package used by RenamePass()
104   class VISIBILITY_HIDDEN RenamePassData {
105   public:
106     typedef std::vector<Value *> ValVector;
107     
108     RenamePassData() {}
109     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
110                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
111     BasicBlock *BB;
112     BasicBlock *Pred;
113     ValVector Values;
114     
115     void swap(RenamePassData &RHS) {
116       std::swap(BB, RHS.BB);
117       std::swap(Pred, RHS.Pred);
118       Values.swap(RHS.Values);
119     }
120   };
121   
122   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
123   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
124   ///
125   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
126   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
127   class VISIBILITY_HIDDEN LargeBlockInfo {
128     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
129     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
130     /// the start of the block.
131     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
132   public:
133     
134     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
135     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
136       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
137              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
138     }
139     
140     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
141     /// instruction.
142     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
143       assert(isInterestingInstruction(I) &&
144              "Not a load/store to/from an alloca?");
145       
146       // If we already have this instruction number, return it.
147       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
148       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
149       
150       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
151       // information for every interesting instruction in the block, in order to
152       // avoid gratuitus rescans.
153       const BasicBlock *BB = I->getParent();
154       unsigned InstNo = 0;
155       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
156            BBI != E; ++BBI)
157         if (isInterestingInstruction(BBI))
158           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
159       It = InstNumbers.find(I);
160       
161       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
162       return It->second;
163     }
164     
165     void deleteValue(const Instruction *I) {
166       InstNumbers.erase(I);
167     }
168     
169     void clear() {
170       InstNumbers.clear();
171     }
172   };
173
174   struct VISIBILITY_HIDDEN PromoteMem2Reg {
175     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
176     ///
177     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
178     DominatorTree &DT;
179     DominanceFrontier &DF;
180
181     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
182     ///
183     AliasSetTracker *AST;
184     
185     LLVMContext &Context;
186
187     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
188     ///
189     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
190
191     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
192     ///
193     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
194     
195     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
196     /// it corresponds to.
197     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
198     
199     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
200     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
201     /// to the inserted PHI nodes here.
202     ///
203     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
204
205     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
206     ///
207     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
208
209     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
210     /// non-determinstic behavior.
211     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
212
213     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
214     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
215   public:
216     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
217                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast,
218                    LLVMContext &C)
219       : Allocas(A), DT(dt), DF(df), AST(ast), Context(C) {}
220
221     void run();
222
223     /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
224     ///
225     bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
226       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
227         I1 = II->getNormalDest()->begin();
228       return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
229     }
230     
231     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
232     ///
233     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
234       return DT.dominates(BB1, BB2);
235     }
236
237   private:
238     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
239       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
240       Allocas.pop_back();
241       --AllocaIdx;
242     }
243
244     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
245       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
246       if (NP == 0)
247         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
248       return NP-1;
249     }
250
251     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
252                                  AllocaInfo &Info);
253     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
254                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
255                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
256     
257     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
258                                   LargeBlockInfo &LBI);
259     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
260                                   LargeBlockInfo &LBI);
261
262     
263     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
264                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
265                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
266     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
267                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
268   };
269   
270   struct AllocaInfo {
271     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
272     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
273     
274     StoreInst  *OnlyStore;
275     BasicBlock *OnlyBlock;
276     bool OnlyUsedInOneBlock;
277     
278     Value *AllocaPointerVal;
279     
280     void clear() {
281       DefiningBlocks.clear();
282       UsingBlocks.clear();
283       OnlyStore = 0;
284       OnlyBlock = 0;
285       OnlyUsedInOneBlock = true;
286       AllocaPointerVal = 0;
287     }
288     
289     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
290     /// ivars.
291     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
292       clear();
293
294       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
295       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
296       // the same basic block.
297       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
298            U != E;)  {
299         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
300         ++U;
301         if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
302           // Remove any uses of this alloca in DbgInfoInstrinsics.
303           assert(BC->hasOneUse() && "Unexpected alloca uses!");
304           DbgInfoIntrinsic *DI = cast<DbgInfoIntrinsic>(*BC->use_begin());
305           DI->eraseFromParent();
306           BC->eraseFromParent();
307           continue;
308         } 
309         else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
310           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
311           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
312           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
313           OnlyStore = SI;
314         } else {
315           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
316           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
317           // reads.
318           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
319           AllocaPointerVal = LI;
320         }
321         
322         if (OnlyUsedInOneBlock) {
323           if (OnlyBlock == 0)
324             OnlyBlock = User->getParent();
325           else if (OnlyBlock != User->getParent())
326             OnlyUsedInOneBlock = false;
327         }
328       }
329     }
330   };
331 }  // end of anonymous namespace
332
333
334 void PromoteMem2Reg::run() {
335   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
336
337   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
338
339   AllocaInfo Info;
340   LargeBlockInfo LBI;
341
342   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
343     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
344
345     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
346            "Cannot promote non-promotable alloca!");
347     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
348            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
349
350     if (AI->use_empty()) {
351       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
352       if (AST) AST->deleteValue(AI);
353       AI->eraseFromParent();
354
355       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
356       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
357       ++NumDeadAlloca;
358       continue;
359     }
360     
361     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
362     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
363     Info.AnalyzeAlloca(AI);
364
365     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
366     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
367     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
368       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
369
370       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
371       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
372         // Remove the (now dead) store and alloca.
373         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
374         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
375
376         if (AST) AST->deleteValue(AI);
377         AI->eraseFromParent();
378         LBI.deleteValue(AI);
379         
380         // The alloca has been processed, move on.
381         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
382         
383         ++NumSingleStore;
384         continue;
385       }
386     }
387     
388     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
389     // linear sweep over the block to eliminate it.
390     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
391       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
392       
393       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
394       // left.
395       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
396         
397         // Remove the (now dead) stores and alloca.
398         while (!AI->use_empty()) {
399           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
400           SI->eraseFromParent();
401           LBI.deleteValue(SI);
402         }
403         
404         if (AST) AST->deleteValue(AI);
405         AI->eraseFromParent();
406         LBI.deleteValue(AI);
407         
408         // The alloca has been processed, move on.
409         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
410         
411         ++NumLocalPromoted;
412         continue;
413       }
414     }
415     
416     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
417     // now.
418     if (BBNumbers.empty()) {
419       unsigned ID = 0;
420       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
421         BBNumbers[I] = ID++;
422     }
423
424     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
425     // stored into the alloca.
426     if (AST)
427       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
428     
429     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
430     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
431
432     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
433     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
434     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
435     // dead phi nodes.
436     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
437   }
438
439   if (Allocas.empty())
440     return; // All of the allocas must have been trivial!
441
442   LBI.clear();
443   
444   
445   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
446   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
447   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
448   //
449   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
450   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
451     Values[i] = Context.getUndef(Allocas[i]->getAllocatedType());
452
453   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
454   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
455   //
456   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
457   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
458   while (!RenamePassWorkList.empty()) {
459     RenamePassData RPD;
460     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
461     RenamePassWorkList.pop_back();
462     // RenamePass may add new worklist entries.
463     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
464   }
465   
466   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
467   Visited.clear();
468
469   // Remove the allocas themselves from the function.
470   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
471     Instruction *A = Allocas[i];
472
473     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
474     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
475     // Just delete the users now.
476     //
477     if (!A->use_empty())
478       A->replaceAllUsesWith(Context.getUndef(A->getType()));
479     if (AST) AST->deleteValue(A);
480     A->eraseFromParent();
481   }
482
483   
484   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
485   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
486   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
487   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
488   bool EliminatedAPHI = true;
489   while (EliminatedAPHI) {
490     EliminatedAPHI = false;
491     
492     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
493            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
494       PHINode *PN = I->second;
495       
496       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
497       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
498         if (!isa<Instruction>(V) ||
499             properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
500           if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
501             AST->deleteValue(PN);
502           PN->replaceAllUsesWith(V);
503           PN->eraseFromParent();
504           NewPhiNodes.erase(I++);
505           EliminatedAPHI = true;
506           continue;
507         }
508       }
509       ++I;
510     }
511   }
512   
513   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
514   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
515   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
516   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
517   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
518   //
519   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
520          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
521     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
522     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
523     PHINode *SomePHI = I->second;
524     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
525     if (&BB->front() != SomePHI)
526       continue;
527
528     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
529     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
530     // number of incoming values, so we can just check any of them.
531     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
532       continue;
533
534     // Get the preds for BB.
535     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
536     
537     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
538     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
539     // access.
540     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
541     
542     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
543     // them from the Preds list.
544     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
545       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
546       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
547         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
548                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
549       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
550              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
551
552       // Remove the entry
553       Preds.erase(EntIt);
554     }
555
556     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
557     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
558     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
559     // mem2reg runs).
560     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
561     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
562     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
563            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
564       Value *UndefVal = Context.getUndef(SomePHI->getType());
565       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
566         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
567     }
568   }
569         
570   NewPhiNodes.clear();
571 }
572
573
574 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
575 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
576 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
577 /// would be dead).
578 void PromoteMem2Reg::
579 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
580                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
581                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
582   
583   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
584   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
585   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
586   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist;
587   LiveInBlockWorklist.insert(LiveInBlockWorklist.end(), 
588                              Info.UsingBlocks.begin(), Info.UsingBlocks.end());
589   
590   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
591   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
592   // the value isn't really live-in.
593   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
594     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
595     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
596     
597     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
598     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
599     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
600       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
601         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
602         
603         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
604         // actually live-in here.
605         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
606         LiveInBlockWorklist.pop_back();
607         --i, --e;
608         break;
609       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
610         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
611         
612         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
613         // live into this block.
614         break;
615       }
616     }
617   }
618   
619   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
620   // their predecessors until we find the full region the value is live.
621   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
622     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
623     
624     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
625     // the set, then it has already been processed.
626     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
627       continue;
628     
629     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
630     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
631     // defining block.
632     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
633       BasicBlock *P = *PI;
634       
635       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
636       if (DefBlocks.count(P))
637         continue;
638       
639       // Otherwise it is, add to the worklist.
640       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
641     }
642   }
643 }
644
645 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
646 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
647 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
648 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
649 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
650                                              AllocaInfo &Info) {
651
652   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
653   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
654   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
655
656   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
657   // to uses.
658   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
659   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
660
661   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
662   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
663   unsigned CurrentVersion = 0;
664   SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
665   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
666   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
667     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
668     Info.DefiningBlocks.pop_back();
669     
670     // Look up the DF for this write, add it to defining blocks.
671     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
672     if (it == DF.end()) continue;
673     
674     const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
675     
676     // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
677     // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
678     // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
679     // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
680     // processing blocks in order of the occurance in the function.
681     for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
682          PE = S.end(); P != PE; ++P) {
683       // If the frontier block is not in the live-in set for the alloca, don't
684       // bother processing it.
685       if (!LiveInBlocks.count(*P))
686         continue;
687       
688       DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
689     }
690     
691     // Sort by which the block ordering in the function.
692     if (DFBlocks.size() > 1)
693       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
694     
695     for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
696       BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
697       if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
698         Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
699     }
700     DFBlocks.clear();
701   }
702 }
703
704 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
705 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
706 /// the value stored.
707 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
708                                               AllocaInfo &Info,
709                                               LargeBlockInfo &LBI) {
710   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
711   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
712   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
713   int StoreIndex = -1;
714
715   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
716   Info.UsingBlocks.clear();
717   
718   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
719     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
720     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
721       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
722       continue;
723     }
724     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
725     
726     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
727     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
728     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
729     // to insert the phi nodes as needed.
730     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
731       if (LI->getParent() == StoreBB) {
732         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
733         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
734         // load came before the store, we can't handle it.
735         if (StoreIndex == -1)
736           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
737
738         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
739           // Can't handle this load, bail out.
740           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
741           continue;
742         }
743         
744       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
745                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
746         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
747         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
748         // out.
749         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
750         continue;
751       }
752     }
753     
754     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
755     LI->replaceAllUsesWith(OnlyStore->getOperand(0));
756     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
757       AST->deleteValue(LI);
758     LI->eraseFromParent();
759     LBI.deleteValue(LI);
760   }
761 }
762
763
764 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
765 /// first element of a pair.
766 struct StoreIndexSearchPredicate {
767   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
768                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
769     return LHS.first < RHS.first;
770   }
771 };
772
773 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
774 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
775 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
776 /// the basic block using the Alloca.
777 ///
778 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
779 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
780 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
781 /// this is potentially correct:
782 ///
783 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
784 ///
785 /// ... so long as A is not used before undef is set.
786 ///
787 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
788                                               LargeBlockInfo &LBI) {
789   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
790   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
791   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
792   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
793   
794   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
795   Info.UsingBlocks.clear();
796   
797   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
798   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
799   StoresByIndexTy StoresByIndex;
800   
801   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
802        UI != E; ++UI) 
803     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
804       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
805
806   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
807   if (StoresByIndex.empty()) {
808     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
809       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
810         LI->replaceAllUsesWith(Context.getUndef(LI->getType()));
811         if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
812           AST->deleteValue(LI);
813         LBI.deleteValue(LI);
814         LI->eraseFromParent();
815       }
816     return;
817   }
818   
819   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
820   // binary search.
821   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
822   
823   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
824   // store above them, if any.
825   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
826     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
827     if (!LI) continue;
828     
829     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
830     
831     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
832     StoresByIndexTy::iterator I = 
833       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
834                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, 0),
835                        StoreIndexSearchPredicate());
836     
837     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
838     if (I == StoresByIndex.begin()) {
839       // Can't handle this load, bail out.
840       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
841       continue;
842     }
843       
844     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
845     --I;
846     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
847     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
848       AST->deleteValue(LI);
849     LI->eraseFromParent();
850     LBI.deleteValue(LI);
851   }
852 }
853
854
855 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
856 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
857 //
858 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
859                                   unsigned &Version,
860                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
861   // Look up the basic-block in question.
862   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
863
864   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
865   if (PN) return false;
866
867   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
868   // BasicBlock.
869   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
870                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Version++, 
871                        BB->begin());
872   ++NumPHIInsert;
873   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
874   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
875   
876   InsertedPHINodes.insert(PN);
877
878   if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
879     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
880
881   return true;
882 }
883
884 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
885 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
886 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
887 //
888 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
889                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
890                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
891 NextIteration:
892   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
893   // block.
894   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
895     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
896     // BB.
897     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
898       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
899       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
900       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
901       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
902       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
903       // operands so far.  Remember this count.
904       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
905       
906       unsigned NumEdges = 0;
907       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
908         if (*I == BB)
909           ++NumEdges;
910       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
911       
912       // Add entries for all the phis.
913       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
914       do {
915         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
916         
917         // Add N incoming values to the PHI node.
918         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
919           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
920         
921         // The currently active variable for this block is now the PHI.
922         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
923         
924         // Get the next phi node.
925         ++PNI;
926         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
927         if (APN == 0) break;
928         
929         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
930         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
931       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
932     }
933   }
934   
935   // Don't revisit blocks.
936   if (!Visited.insert(BB)) return;
937
938   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
939     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
940
941     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
942       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
943       if (!Src) continue;
944   
945       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
946       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
947
948       Value *V = IncomingVals[AI->second];
949
950       // Anything using the load now uses the current value.
951       LI->replaceAllUsesWith(V);
952       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
953         AST->deleteValue(LI);
954       BB->getInstList().erase(LI);
955     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
956       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
957       // value
958       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
959       if (!Dest) continue;
960       
961       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
962       if (ai == AllocaLookup.end())
963         continue;
964       
965       // what value were we writing?
966       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
967       BB->getInstList().erase(SI);
968     }
969   }
970
971   // 'Recurse' to our successors.
972   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
973   if (I == E) return;
974
975   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
976   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
977
978   // Handle the first successor without using the worklist.
979   VisitedSuccs.insert(*I);
980   Pred = BB;
981   BB = *I;
982   ++I;
983
984   for (; I != E; ++I)
985     if (VisitedSuccs.insert(*I))
986       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
987
988   goto NextIteration;
989 }
990
991 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
992 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
993 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
994 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
995 ///
996 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
997 /// made to the IR.
998 ///
999 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1000                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
1001                            LLVMContext &Context, AliasSetTracker *AST) {
1002   // If there is nothing to do, bail out...
1003   if (Allocas.empty()) return;
1004
1005   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, AST, Context).run();
1006 }