Do not use DIFactory. Use DIBuilder.
[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/Constants.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/Metadata.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/DebugInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
41 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
44 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
45 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
46 #include "llvm/Support/CFG.h"
47 #include <algorithm>
48 #include <map>
49 #include <queue>
50 using namespace llvm;
51
52 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
53 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
54 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
55 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
56
57 namespace llvm {
58 template<>
59 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
60   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
61   static inline EltTy getEmptyKey() {
62     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
63   }
64   static inline EltTy getTombstoneKey() {
65     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
66   }
67   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
68     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
69   }
70   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
71     return LHS == RHS;
72   }
73 };
74 }
75
76 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
77 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
78 ///
79 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
80   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
81   // assignments to subsections of the memory unit.
82
83   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
84   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
85        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
86     const User *U = *UI;
87     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
88       if (LI->isVolatile())
89         return false;
90     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
91       if (SI->getOperand(0) == AI)
92         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
93       if (SI->isVolatile())
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 /// FindAllocaDbgDeclare - Finds the llvm.dbg.declare intrinsic describing the
104 /// alloca 'V', if any.
105 static DbgDeclareInst *FindAllocaDbgDeclare(Value *V) {
106   if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(V->getContext(), &V, 1))
107     for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
108          E = DebugNode->use_end(); UI != E; ++UI)
109       if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
110         return DDI;
111
112   return 0;
113 }
114
115 namespace {
116   struct AllocaInfo;
117
118   // Data package used by RenamePass()
119   class RenamePassData {
120   public:
121     typedef std::vector<Value *> ValVector;
122     
123     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
124     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
125                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
126     BasicBlock *BB;
127     BasicBlock *Pred;
128     ValVector Values;
129     
130     void swap(RenamePassData &RHS) {
131       std::swap(BB, RHS.BB);
132       std::swap(Pred, RHS.Pred);
133       Values.swap(RHS.Values);
134     }
135   };
136   
137   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
138   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
139   ///
140   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
141   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
142   class LargeBlockInfo {
143     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
144     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
145     /// the start of the block.
146     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
147   public:
148     
149     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
150     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
151       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
152              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
153     }
154     
155     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
156     /// instruction.
157     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
158       assert(isInterestingInstruction(I) &&
159              "Not a load/store to/from an alloca?");
160       
161       // If we already have this instruction number, return it.
162       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
163       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
164       
165       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
166       // information for every interesting instruction in the block, in order to
167       // avoid gratuitus rescans.
168       const BasicBlock *BB = I->getParent();
169       unsigned InstNo = 0;
170       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
171            BBI != E; ++BBI)
172         if (isInterestingInstruction(BBI))
173           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
174       It = InstNumbers.find(I);
175       
176       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
177       return It->second;
178     }
179     
180     void deleteValue(const Instruction *I) {
181       InstNumbers.erase(I);
182     }
183     
184     void clear() {
185       InstNumbers.clear();
186     }
187   };
188
189   struct PromoteMem2Reg {
190     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
191     ///
192     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
193     DominatorTree &DT;
194     DIBuilder *DIB;
195
196     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
197     ///
198     AliasSetTracker *AST;
199     
200     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
201     ///
202     DenseMap<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
203
204     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
205     ///
206     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
207     
208     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
209     /// it corresponds to.
210     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
211     
212     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
213     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
214     /// to the inserted PHI nodes here.
215     ///
216     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
217
218     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
219     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
220     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
221     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
222
223     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
224     ///
225     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
226
227     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
228     /// non-determinstic behavior.
229     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
230
231     /// DomLevels - Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
232     DenseMap<DomTreeNode*, unsigned> DomLevels;
233
234     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
235     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
236   public:
237     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
238                    AliasSetTracker *ast)
239       : Allocas(A), DT(dt), DIB(0), AST(ast) {}
240     ~PromoteMem2Reg() {
241       delete DIB;
242     }
243
244     void run();
245
246     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
247     ///
248     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
249       return DT.dominates(BB1, BB2);
250     }
251
252   private:
253     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
254       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
255       Allocas.pop_back();
256       --AllocaIdx;
257     }
258
259     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
260       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
261       if (NP == 0)
262         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
263       return NP-1;
264     }
265
266     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
267                                  AllocaInfo &Info);
268     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
269                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
270                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
271     
272     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
273                                   LargeBlockInfo &LBI);
274     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
275                                   LargeBlockInfo &LBI);
276     void ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI, StoreInst *SI);
277
278     
279     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
280                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
281                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
282     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
283   };
284   
285   struct AllocaInfo {
286     SmallVector<BasicBlock*, 32> DefiningBlocks;
287     SmallVector<BasicBlock*, 32> UsingBlocks;
288     
289     StoreInst  *OnlyStore;
290     BasicBlock *OnlyBlock;
291     bool OnlyUsedInOneBlock;
292     
293     Value *AllocaPointerVal;
294     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
295     
296     void clear() {
297       DefiningBlocks.clear();
298       UsingBlocks.clear();
299       OnlyStore = 0;
300       OnlyBlock = 0;
301       OnlyUsedInOneBlock = true;
302       AllocaPointerVal = 0;
303       DbgDeclare = 0;
304     }
305     
306     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
307     /// ivars.
308     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
309       clear();
310
311       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
312       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
313       // the same basic block.
314       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
315            UI != E;)  {
316         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
317
318         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
319           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
320           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
321           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
322           OnlyStore = SI;
323         } else {
324           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
325           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
326           // reads.
327           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
328           AllocaPointerVal = LI;
329         }
330         
331         if (OnlyUsedInOneBlock) {
332           if (OnlyBlock == 0)
333             OnlyBlock = User->getParent();
334           else if (OnlyBlock != User->getParent())
335             OnlyUsedInOneBlock = false;
336         }
337       }
338       
339       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
340     }
341   };
342
343   typedef std::pair<DomTreeNode*, unsigned> DomTreeNodePair;
344
345   struct DomTreeNodeCompare {
346     bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
347       return LHS.second < RHS.second;
348     }
349   };
350 }  // end of anonymous namespace
351
352
353 void PromoteMem2Reg::run() {
354   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
355
356   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
357   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
358
359   AllocaInfo Info;
360   LargeBlockInfo LBI;
361
362   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
363     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
364
365     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
366            "Cannot promote non-promotable alloca!");
367     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
368            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
369
370     if (AI->use_empty()) {
371       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
372       if (AST) AST->deleteValue(AI);
373       AI->eraseFromParent();
374
375       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
376       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
377       ++NumDeadAlloca;
378       continue;
379     }
380     
381     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
382     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
383     Info.AnalyzeAlloca(AI);
384
385     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
386     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
387     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
388       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
389
390       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
391       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
392         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's debuginfo.
393         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
394           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore);
395           DDI->eraseFromParent();
396         }
397         // Remove the (now dead) store and alloca.
398         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
399         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
400
401         if (AST) AST->deleteValue(AI);
402         AI->eraseFromParent();
403         LBI.deleteValue(AI);
404         
405         // The alloca has been processed, move on.
406         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
407         
408         ++NumSingleStore;
409         continue;
410       }
411     }
412     
413     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
414     // linear sweep over the block to eliminate it.
415     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
416       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
417       
418       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
419       // left.
420       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
421         
422         // Remove the (now dead) stores and alloca.
423         while (!AI->use_empty()) {
424           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
425           // Record debuginfo for the store before removing it.
426           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
427             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
428           SI->eraseFromParent();
429           LBI.deleteValue(SI);
430         }
431         
432         if (AST) AST->deleteValue(AI);
433         AI->eraseFromParent();
434         LBI.deleteValue(AI);
435         
436         // The alloca has been processed, move on.
437         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
438         
439         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
440         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
441           DDI->eraseFromParent();
442
443         ++NumLocalPromoted;
444         continue;
445       }
446     }
447
448     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
449     if (DomLevels.empty()) {
450       SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
451
452       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
453       DomLevels[Root] = 0;
454       Worklist.push_back(Root);
455
456       while (!Worklist.empty()) {
457         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
458         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
459         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
460              CI != CE; ++CI) {
461           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
462           Worklist.push_back(*CI);
463         }
464       }
465     }
466
467     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
468     // now.
469     if (BBNumbers.empty()) {
470       unsigned ID = 0;
471       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
472         BBNumbers[I] = ID++;
473     }
474
475     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
476     // stored into the alloca.
477     if (AST)
478       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
479       
480     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
481     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
482     
483     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
484     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
485
486     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
487     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
488     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
489     // dead phi nodes.
490     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
491   }
492
493   if (Allocas.empty())
494     return; // All of the allocas must have been trivial!
495
496   LBI.clear();
497   
498   
499   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
500   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
501   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
502   //
503   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
504   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
505     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
506
507   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
508   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
509   //
510   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
511   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
512   do {
513     RenamePassData RPD;
514     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
515     RenamePassWorkList.pop_back();
516     // RenamePass may add new worklist entries.
517     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
518   } while (!RenamePassWorkList.empty());
519   
520   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
521   Visited.clear();
522
523   // Remove the allocas themselves from the function.
524   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
525     Instruction *A = Allocas[i];
526
527     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
528     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
529     // tree. Just delete the users now.
530     if (!A->use_empty())
531       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
532     if (AST) AST->deleteValue(A);
533     A->eraseFromParent();
534   }
535
536   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
537   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
538     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
539       DDI->eraseFromParent();
540
541   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
542   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
543   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
544   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
545   bool EliminatedAPHI = true;
546   while (EliminatedAPHI) {
547     EliminatedAPHI = false;
548     
549     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
550            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
551       PHINode *PN = I->second;
552
553       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
554       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, &DT)) {
555         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
556           AST->deleteValue(PN);
557         PN->replaceAllUsesWith(V);
558         PN->eraseFromParent();
559         NewPhiNodes.erase(I++);
560         EliminatedAPHI = true;
561         continue;
562       }
563       ++I;
564     }
565   }
566   
567   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
568   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
569   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
570   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
571   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
572   //
573   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
574          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
575     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
576     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
577     PHINode *SomePHI = I->second;
578     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
579     if (&BB->front() != SomePHI)
580       continue;
581
582     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
583     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
584     // number of incoming values, so we can just check any of them.
585     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
586       continue;
587
588     // Get the preds for BB.
589     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
590     
591     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
592     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
593     // access.
594     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
595     
596     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
597     // them from the Preds list.
598     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
599       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
600       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
601         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
602                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
603       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
604              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
605
606       // Remove the entry
607       Preds.erase(EntIt);
608     }
609
610     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
611     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
612     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
613     // mem2reg runs).
614     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
615     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
616     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
617            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
618       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
619       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
620         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
621     }
622   }
623         
624   NewPhiNodes.clear();
625 }
626
627
628 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
629 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
630 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
631 /// would be dead).
632 void PromoteMem2Reg::
633 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
634                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
635                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
636   
637   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
638   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
639   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
640   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
641                                                    Info.UsingBlocks.end());
642   
643   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
644   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
645   // the value isn't really live-in.
646   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
647     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
648     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
649     
650     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
651     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
652     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
653       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
654         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
655         
656         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
657         // actually live-in here.
658         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
659         LiveInBlockWorklist.pop_back();
660         --i, --e;
661         break;
662       }
663       
664       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
665         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
666         
667         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
668         // live into this block.
669         break;
670       }
671     }
672   }
673   
674   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
675   // their predecessors until we find the full region the value is live.
676   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
677     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
678     
679     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
680     // the set, then it has already been processed.
681     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
682       continue;
683     
684     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
685     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
686     // defining block.
687     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
688       BasicBlock *P = *PI;
689       
690       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
691       if (DefBlocks.count(P))
692         continue;
693       
694       // Otherwise it is, add to the worklist.
695       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
696     }
697   }
698 }
699
700 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
701 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
702 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
703 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
704 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
705                                              AllocaInfo &Info) {
706   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
707   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
708   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
709
710   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
711   // to uses.
712   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
713   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
714
715   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
716   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
717   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
718                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
719   IDFPriorityQueue PQ;
720
721   for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
722        E = DefBlocks.end(); I != E; ++I) {
723     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
724       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
725   }
726
727   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock*>, 32> DFBlocks;
728   SmallPtrSet<DomTreeNode*, 32> Visited;
729   SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
730   while (!PQ.empty()) {
731     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
732     PQ.pop();
733     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
734     unsigned RootLevel = RootPair.second;
735
736     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
737     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
738     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
739     // definition set.
740
741     Worklist.clear();
742     Worklist.push_back(Root);
743
744     while (!Worklist.empty()) {
745       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
746       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
747
748       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
749            ++SI) {
750         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
751
752         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
753         // of catching them below.
754         if (SuccNode->getIDom() == Node)
755           continue;
756
757         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
758         if (SuccLevel > RootLevel)
759           continue;
760
761         if (!Visited.insert(SuccNode))
762           continue;
763
764         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
765         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
766           continue;
767
768         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
769         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
770           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
771       }
772
773       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
774            ++CI) {
775         if (!Visited.count(*CI))
776           Worklist.push_back(*CI);
777       }
778     }
779   }
780
781   if (DFBlocks.size() > 1)
782     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
783
784   unsigned CurrentVersion = 0;
785   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
786     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
787 }
788
789 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
790 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
791 /// the value stored.
792 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
793                                               AllocaInfo &Info,
794                                               LargeBlockInfo &LBI) {
795   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
796   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
797   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
798   int StoreIndex = -1;
799
800   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
801   Info.UsingBlocks.clear();
802   
803   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
804     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
805     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
806       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
807       continue;
808     }
809     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
810     
811     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
812     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
813     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
814     // to insert the phi nodes as needed.
815     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
816       if (LI->getParent() == StoreBB) {
817         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
818         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
819         // load came before the store, we can't handle it.
820         if (StoreIndex == -1)
821           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
822
823         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
824           // Can't handle this load, bail out.
825           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
826           continue;
827         }
828         
829       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
830                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
831         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
832         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
833         // out.
834         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
835         continue;
836       }
837     }
838     
839     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
840     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
841     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
842     // code.
843     if (ReplVal == LI)
844       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
845     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
846     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
847       AST->deleteValue(LI);
848     LI->eraseFromParent();
849     LBI.deleteValue(LI);
850   }
851 }
852
853 namespace {
854
855 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
856 /// first element of a pair.
857 struct StoreIndexSearchPredicate {
858   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
859                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
860     return LHS.first < RHS.first;
861   }
862 };
863
864 }
865
866 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
867 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
868 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
869 /// the basic block using the Alloca.
870 ///
871 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
872 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
873 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
874 /// this is potentially correct:
875 ///
876 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
877 ///
878 /// ... so long as A is not used before undef is set.
879 ///
880 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
881                                               LargeBlockInfo &LBI) {
882   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
883   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
884   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
885   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
886   
887   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
888   Info.UsingBlocks.clear();
889   
890   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
891   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
892   StoresByIndexTy StoresByIndex;
893   
894   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
895        UI != E; ++UI) 
896     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
897       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
898
899   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
900   if (StoresByIndex.empty()) {
901     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
902       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
903         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
904         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
905           AST->deleteValue(LI);
906         LBI.deleteValue(LI);
907         LI->eraseFromParent();
908       }
909     return;
910   }
911   
912   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
913   // binary search.
914   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
915   
916   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
917   // store above them, if any.
918   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
919     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
920     if (!LI) continue;
921     
922     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
923     
924     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
925     StoresByIndexTy::iterator I = 
926       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
927                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
928                        StoreIndexSearchPredicate());
929     
930     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
931     if (I == StoresByIndex.begin()) {
932       // Can't handle this load, bail out.
933       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
934       continue;
935     }
936       
937     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
938     --I;
939     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
940     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
941       AST->deleteValue(LI);
942     LI->eraseFromParent();
943     LBI.deleteValue(LI);
944   }
945 }
946
947 // Inserts a llvm.dbg.value instrinsic before the stores to an alloca'd value
948 // that has an associated llvm.dbg.decl intrinsic.
949 void PromoteMem2Reg::ConvertDebugDeclareToDebugValue(DbgDeclareInst *DDI,
950                                                      StoreInst *SI) {
951   DIVariable DIVar(DDI->getVariable());
952   if (!DIVar.Verify())
953     return;
954
955   if (!DIB)
956     DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
957   Instruction *DbgVal = DIB->insertDbgValueIntrinsic(SI->getOperand(0), 0,
958                                                      DIVar, SI);
959   
960   // Propagate any debug metadata from the store onto the dbg.value.
961   DebugLoc SIDL = SI->getDebugLoc();
962   if (!SIDL.isUnknown())
963     DbgVal->setDebugLoc(SIDL);
964   // Otherwise propagate debug metadata from dbg.declare.
965   else
966     DbgVal->setDebugLoc(DDI->getDebugLoc());
967 }
968
969 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
970 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
971 //
972 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
973                                   unsigned &Version) {
974   // Look up the basic-block in question.
975   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
976
977   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
978   if (PN) return false;
979
980   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
981   // BasicBlock.
982   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
983                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
984                        BB->begin());
985   ++NumPHIInsert;
986   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
987   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
988
989   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
990     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
991
992   return true;
993 }
994
995 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
996 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
997 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
998 //
999 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
1000                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
1001                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
1002 NextIteration:
1003   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
1004   // block.
1005   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
1006     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
1007     // BB.
1008     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
1009       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
1010       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
1011       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
1012       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
1013       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
1014       // operands so far.  Remember this count.
1015       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
1016       
1017       unsigned NumEdges = 0;
1018       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
1019         if (*I == BB)
1020           ++NumEdges;
1021       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1022       
1023       // Add entries for all the phis.
1024       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1025       do {
1026         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1027         
1028         // Add N incoming values to the PHI node.
1029         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1030           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1031         
1032         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1033         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1034         
1035         // Get the next phi node.
1036         ++PNI;
1037         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1038         if (APN == 0) break;
1039         
1040         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1041         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1042       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1043     }
1044   }
1045   
1046   // Don't revisit blocks.
1047   if (!Visited.insert(BB)) return;
1048
1049   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
1050     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1051
1052     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1053       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1054       if (!Src) continue;
1055   
1056       DenseMap<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1057       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
1058
1059       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1060
1061       // Anything using the load now uses the current value.
1062       LI->replaceAllUsesWith(V);
1063       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1064         AST->deleteValue(LI);
1065       BB->getInstList().erase(LI);
1066     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1067       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1068       // value
1069       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1070       if (!Dest) continue;
1071       
1072       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1073       if (ai == AllocaLookup.end())
1074         continue;
1075       
1076       // what value were we writing?
1077       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1078       // Record debuginfo for the store before removing it.
1079       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1080         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI);
1081       BB->getInstList().erase(SI);
1082     }
1083   }
1084
1085   // 'Recurse' to our successors.
1086   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1087   if (I == E) return;
1088
1089   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1090   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1091
1092   // Handle the first successor without using the worklist.
1093   VisitedSuccs.insert(*I);
1094   Pred = BB;
1095   BB = *I;
1096   ++I;
1097
1098   for (; I != E; ++I)
1099     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1100       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1101
1102   goto NextIteration;
1103 }
1104
1105 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1106 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function does
1107 /// not modify the CFG of the function at all.  All allocas must be from the
1108 /// same function.
1109 ///
1110 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1111 /// made to the IR.
1112 ///
1113 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1114                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1115   // If there is nothing to do, bail out...
1116   if (Allocas.empty()) return;
1117
1118   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1119 }