Taints the non-acquire RMW's store address with the load part relaxed-loads-taint-store
authorPeizhao Ou <peizhaoo@uci.edu>
Tue, 17 Jul 2018 22:24:31 +0000 (15:24 -0700)
committerPeizhao Ou <peizhaoo@uci.edu>
Tue, 17 Jul 2018 22:24:31 +0000 (15:24 -0700)
lib/CodeGen/AtomicExpandPass.cpp
lib/CodeGen/CMakeLists.txt
lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.cpp [new file with mode: 0644]
lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.h [new file with mode: 0644]

index 077c52b..045c807 100644 (file)
@@ -15,6 +15,7 @@
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
+#include "TaintRelaxedAtomicsUtils.h"
 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
@@ -516,10 +517,25 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicOpToLLSC(
   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
   Value *Loaded = TLI->emitLoadLinked(Builder, Addr, MemOpOrder);
 
+  // XXX-update: For relaxed RMWs (i.e., fetch_* operations), we still need to
+  // taint the load part. However, we only need to taint those whose results are
+  // not immediately used by a conditional branch or a store address.
+  Value* StoreAddr = Addr;
+  auto* LoadedPartInst = dyn_cast<Instruction>(Loaded);
+  assert(LoadedPartInst && "Load part of RMW should be an instruction!");
+  if (MemOpOrder != Acquire && MemOpOrder != AcquireRelease &&
+      MemOpOrder != SequentiallyConsistent) {
+    // Also check whether the result is used immediately. If so, taint the
+    // address of the upcoming store-exclusive.
+    if (NeedExtraConstraints(I)) {
+      StoreAddr = taintRMWStoreAddressWithLoadPart(Builder, Addr, LoadedPartInst);
+    }
+  }
+
   Value *NewVal = PerformOp(Builder, Loaded);
 
   Value *StoreSuccess =
-      TLI->emitStoreConditional(Builder, NewVal, Addr, MemOpOrder);
+      TLI->emitStoreConditional(Builder, NewVal, StoreAddr, MemOpOrder);
   Value *TryAgain = Builder.CreateICmpNE(
       StoreSuccess, ConstantInt::get(IntegerType::get(Ctx, 32), 0), "tryagain");
   Builder.CreateCondBr(TryAgain, LoopBB, ExitBB);
index a078c3c..765b5ab 100644 (file)
@@ -121,6 +121,7 @@ add_llvm_library(LLVMCodeGen
   StackMaps.cpp
   StatepointExampleGC.cpp
   TailDuplication.cpp
+  TaintRelaxedAtomicsUtils.cpp
   TargetFrameLoweringImpl.cpp
   TargetInstrInfo.cpp
   TargetLoweringBase.cpp
diff --git a/lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.cpp b/lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..8ebb0e2
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,1365 @@
+//===- TaintRelaxedAtomicsUtil.cpp - Utils for tainting relaxed atomics --------===//
+//
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
+//
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+
+#include "TaintRelaxedAtomicsUtils.h"
+#include "llvm/CodeGen/Passes.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/SetVector.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
+#include "llvm/Analysis/MemoryLocation.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
+#include "llvm/IR/CallSite.h"
+#include "llvm/IR/Constants.h"
+#include "llvm/IR/DataLayout.h"
+#include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
+#include "llvm/IR/Dominators.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
+#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
+#include "llvm/IR/InlineAsm.h"
+#include "llvm/IR/InstIterator.h"
+#include "llvm/IR/InstrTypes.h"
+#include "llvm/IR/Instructions.h"
+#include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
+#include "llvm/IR/MDBuilder.h"
+#include "llvm/IR/NoFolder.h"
+#include "llvm/IR/PatternMatch.h"
+#include "llvm/IR/Statepoint.h"
+#include "llvm/IR/ValueHandle.h"
+#include "llvm/IR/ValueMap.h"
+#include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/Support/CommandLine.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
+#include "llvm/Target/TargetLowering.h"
+#include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BuildLibCalls.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BypassSlowDivision.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyLibCalls.h"
+using namespace llvm;
+using namespace llvm::PatternMatch;
+
+#define DEBUG_TYPE "taintrelaxedatomics"
+
+namespace llvm {
+
+// The depth we trace down a variable to look for its dependence set.
+const unsigned kDependenceDepth = 4;
+
+// Recursively looks for variables that 'Val' depends on at the given depth
+// 'Depth', and adds them in 'DepSet'. If 'InsertOnlyLeafNodes' is true, only
+// inserts the leaf node values; otherwise, all visited nodes are included in
+// 'DepSet'. Note that constants will be ignored.
+template <typename SetType>
+void recursivelyFindDependence(SetType* DepSet, Value* Val,
+                               bool InsertOnlyLeafNodes = false,
+                               unsigned Depth = kDependenceDepth) {
+  if (Val == nullptr) {
+    return;
+  }
+  if (!InsertOnlyLeafNodes && !isa<Constant>(Val)) {
+    DepSet->insert(Val);
+  }
+  if (Depth == 0) {
+    // Cannot go deeper. Insert the leaf nodes.
+    if (InsertOnlyLeafNodes && !isa<Constant>(Val)) {
+      DepSet->insert(Val);
+    }
+    return;
+  }
+
+  // Go one step further to explore the dependence of the operands.
+  Instruction* I = nullptr;
+  if ((I = dyn_cast<Instruction>(Val))) {
+    if (isa<LoadInst>(I)) {
+      // A load is considerd the leaf load of the dependence tree. Done.
+      DepSet->insert(Val);
+      return;
+    } else if (I->isBinaryOp()) {
+      BinaryOperator* I = dyn_cast<BinaryOperator>(Val);
+      Value *Op0 = I->getOperand(0), *Op1 = I->getOperand(1);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op0, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op1, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+    } else if (I->isCast()) {
+      Value* Op0 = I->getOperand(0);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op0, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+    } else if (I->getOpcode() == Instruction::Select) {
+      Value* Op0 = I->getOperand(0);
+      Value* Op1 = I->getOperand(1);
+      Value* Op2 = I->getOperand(2);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op0, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op1, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, Op2, InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+    } else if (I->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr) {
+      for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); i++) {
+        recursivelyFindDependence(DepSet, I->getOperand(i), InsertOnlyLeafNodes,
+                                  Depth - 1);
+      }
+    } else if (I->getOpcode() == Instruction::Store) {
+      auto* SI = dyn_cast<StoreInst>(Val);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, SI->getPointerOperand(),
+                                InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+      recursivelyFindDependence(DepSet, SI->getValueOperand(),
+                                InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+    } else {
+      Value* Op0 = nullptr;
+      Value* Op1 = nullptr;
+      switch (I->getOpcode()) {
+        case Instruction::ICmp:
+        case Instruction::FCmp: {
+          Op0 = I->getOperand(0);
+          Op1 = I->getOperand(1);
+          recursivelyFindDependence(DepSet, Op0, InsertOnlyLeafNodes,
+                                    Depth - 1);
+          recursivelyFindDependence(DepSet, Op1, InsertOnlyLeafNodes,
+                                    Depth - 1);
+          break;
+        }
+        case Instruction::PHI: {
+          for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); i++) {
+            auto* op = I->getOperand(i);
+            if (DepSet->count(op) == 0) {
+              recursivelyFindDependence(DepSet, I->getOperand(i),
+                                        InsertOnlyLeafNodes, Depth - 1);
+            }
+          }
+          break;
+        }
+        default: {
+          // Be conservative. Add it and be done with it.
+          DepSet->insert(Val);
+          return;
+        }
+      }
+    }
+  } else if (isa<Constant>(Val)) {
+    // Not interested in constant values. Done.
+    return;
+  } else {
+    // Be conservative. Add it and be done with it.
+    DepSet->insert(Val);
+    return;
+  }
+}
+
+// Helper function to create a Cast instruction.
+template <typename BuilderTy>
+Value* createCast(BuilderTy& Builder, Value* DepVal,
+                  Type* TargetIntegerType) {
+  Instruction::CastOps CastOp = Instruction::BitCast;
+  switch (DepVal->getType()->getTypeID()) {
+    case Type::IntegerTyID: {
+      assert(TargetIntegerType->getTypeID() == Type::IntegerTyID);
+      auto* FromType = dyn_cast<IntegerType>(DepVal->getType());
+      auto* ToType = dyn_cast<IntegerType>(TargetIntegerType);
+      assert(FromType && ToType);
+      if (FromType->getBitWidth() <= ToType->getBitWidth()) {
+        CastOp = Instruction::ZExt;
+      } else {
+        CastOp = Instruction::Trunc;
+      }
+      break;
+    }
+    case Type::FloatTyID:
+    case Type::DoubleTyID: {
+      CastOp = Instruction::FPToSI;
+      break;
+    }
+    case Type::PointerTyID: {
+      CastOp = Instruction::PtrToInt;
+      break;
+    }
+    default: { break; }
+  }
+
+  return Builder.CreateCast(CastOp, DepVal, TargetIntegerType);
+}
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns the
+// instruction that ORs the "dependence value" with the "original address".
+// Otherwise, returns nullptr.  This instruction is the first OR instruction
+// where one of its operand is an AND instruction with an operand being 0.
+//
+// E.g., it returns '%4 = or i32 %3, %2' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Instruction* getOrAddress(Value* CurrentAddress) {
+  // Is it a cast from integer to pointer type.
+  Instruction* OrAddress = nullptr;
+  Instruction* AndDep = nullptr;
+  Constant* ZeroConst = nullptr;
+
+  const Instruction* CastToPtr = dyn_cast<Instruction>(CurrentAddress);
+  if (CastToPtr && CastToPtr->getOpcode() == Instruction::IntToPtr) {
+    // Is it an OR instruction: %1 = or %and, %actualAddress.
+    if ((OrAddress = dyn_cast<Instruction>(CastToPtr->getOperand(0))) &&
+        OrAddress->getOpcode() == Instruction::Or) {
+      // The first operand should be and AND instruction.
+      AndDep = dyn_cast<Instruction>(OrAddress->getOperand(0));
+      if (AndDep && AndDep->getOpcode() == Instruction::And) {
+        // Also make sure its first operand of the "AND" is 0, or the "AND" is
+        // marked explicitly by "NoInstCombine".
+        if ((ZeroConst = dyn_cast<Constant>(AndDep->getOperand(1))) &&
+            ZeroConst->isNullValue()) {
+          return OrAddress;
+        }
+      }
+    }
+  }
+  // Looks like it's not been tainted.
+  return nullptr;
+}
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns the
+// instruction that taints the "dependence value". Otherwise, returns nullptr.
+// This instruction is the last AND instruction where one of its operand is 0.
+// E.g., it returns '%3' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Instruction* getAndDependence(Value* CurrentAddress) {
+  // If 'CurrentAddress' is tainted, get the OR instruction.
+  auto* OrAddress = getOrAddress(CurrentAddress);
+  if (OrAddress == nullptr) {
+    return nullptr;
+  }
+
+  // No need to check the operands.
+  auto* AndDepInst = dyn_cast<Instruction>(OrAddress->getOperand(0));
+  assert(AndDepInst);
+  return AndDepInst;
+}
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns
+// the "dependence value", which is the first operand in the AND instruction.
+// E.g., it returns '%1' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Value* getDependence(Value* CurrentAddress) {
+  auto* AndInst = getAndDependence(CurrentAddress);
+  if (AndInst == nullptr) {
+    return nullptr;
+  }
+  return AndInst->getOperand(0);
+}
+
+// Given an address that has been tainted, returns the only condition it depends
+// on, if any; otherwise, returns nullptr.
+Value* getConditionDependence(Value* Address) {
+  auto* Dep = getDependence(Address);
+  if (Dep == nullptr) {
+    // 'Address' has not been dependence-tainted.
+    return nullptr;
+  }
+
+  Value* Operand = Dep;
+  while (true) {
+    auto* Inst = dyn_cast<Instruction>(Operand);
+    if (Inst == nullptr) {
+      // Non-instruction type does not have condition dependence.
+      return nullptr;
+    }
+    if (Inst->getOpcode() == Instruction::ICmp) {
+      return Inst;
+    } else {
+      if (Inst->getNumOperands() != 1) {
+        return nullptr;
+      } else {
+        Operand = Inst->getOperand(0);
+      }
+    }
+  }
+}
+
+// Conservatively decides whether the dependence set of 'Val1' includes the
+// dependence set of 'Val2'. If 'ExpandSecondValue' is false, we do not expand
+// 'Val2' and use that single value as its dependence set.
+// If it returns true, it means the dependence set of 'Val1' includes that of
+// 'Val2'; otherwise, it only means we cannot conclusively decide it.
+bool dependenceSetInclusion(Value* Val1, Value* Val2,
+                            int Val1ExpandLevel = 2 * kDependenceDepth,
+                            int Val2ExpandLevel = kDependenceDepth) {
+  typedef SmallSet<Value*, 8> IncludingSet;
+  typedef SmallSet<Value*, 4> IncludedSet;
+
+  IncludingSet DepSet1;
+  IncludedSet DepSet2;
+  // Look for more depths for the including set.
+  recursivelyFindDependence(&DepSet1, Val1, false /*Insert all visited nodes*/,
+                            Val1ExpandLevel);
+  recursivelyFindDependence(&DepSet2, Val2, true /*Only insert leaf nodes*/,
+                            Val2ExpandLevel);
+
+  auto set_inclusion = [](IncludingSet FullSet, IncludedSet Subset) {
+    for (auto* Dep : Subset) {
+      if (0 == FullSet.count(Dep)) {
+        return false;
+      }
+    }
+    return true;
+  };
+  bool inclusion = set_inclusion(DepSet1, DepSet2);
+  DEBUG(dbgs() << "[dependenceSetInclusion]: " << inclusion << "\n");
+  DEBUG(dbgs() << "Including set for: " << *Val1 << "\n");
+  DEBUG(for (const auto* Dep : DepSet1) { dbgs() << "\t\t" << *Dep << "\n"; });
+  DEBUG(dbgs() << "Included set for: " << *Val2 << "\n");
+  DEBUG(for (const auto* Dep : DepSet2) { dbgs() << "\t\t" << *Dep << "\n"; });
+
+  return inclusion;
+}
+
+// Recursively iterates through the operands spawned from 'DepVal'. If there
+// exists a single value that 'DepVal' only depends on, we call that value the
+// root dependence of 'DepVal' and return it. Otherwise, return 'DepVal'.
+Value* getRootDependence(Value* DepVal) {
+  SmallSet<Value*, 8> DepSet;
+  for (unsigned depth = kDependenceDepth; depth > 0; --depth) {
+    recursivelyFindDependence(&DepSet, DepVal, true /*Only insert leaf nodes*/,
+                              depth);
+    if (DepSet.size() == 1) {
+      return *DepSet.begin();
+    }
+    DepSet.clear();
+  }
+  return DepVal;
+}
+
+// This function actually taints 'DepVal' to the address to 'SI'. If the
+// address
+// of 'SI' already depends on whatever 'DepVal' depends on, this function
+// doesn't do anything and returns false. Otherwise, returns true.
+//
+// This effect forces the store and any stores that comes later to depend on
+// 'DepVal'. For example, we have a condition "cond", and a store instruction
+// "s: STORE addr, val". If we want "s" (and any later store) to depend on
+// "cond", we do the following:
+// %conv = sext i1 %cond to i32
+// %addrVal = ptrtoint i32* %addr to i32
+// %andCond = and i32 conv, 0;
+// %orAddr = or i32 %andCond, %addrVal;
+// %NewAddr = inttoptr i32 %orAddr to i32*;
+//
+// This is a more concrete example:
+// ------
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+bool taintStoreAddress(StoreInst* SI, Value* DepVal) {
+  // Set the insertion point right after the 'DepVal'.
+  IRBuilder<true, NoFolder> Builder(SI);
+  BasicBlock* BB = SI->getParent();
+  Value* Address = SI->getPointerOperand();
+  Type* TargetIntegerType =
+      IntegerType::get(Address->getContext(),
+                       BB->getModule()->getDataLayout().getPointerSizeInBits());
+
+  // Does SI's address already depends on whatever 'DepVal' depends on?
+  if (StoreAddressDependOnValue(SI, DepVal)) {
+    return false;
+  }
+
+  // Figure out if there's a root variable 'DepVal' depends on. For example, we
+  // can extract "getelementptr inbounds %struct, %struct* %0, i64 0, i32 123"
+  // to be "%struct* %0" since all other operands are constant.
+  auto* RootVal = getRootDependence(DepVal);
+  auto* RootInst = dyn_cast<Instruction>(RootVal);
+  auto* DepValInst = dyn_cast<Instruction>(DepVal);
+  if (RootInst && DepValInst &&
+      RootInst->getParent() == DepValInst->getParent()) {
+    DepVal = RootVal;
+  }
+
+  // Is this already a dependence-tainted store?
+  Value* OldDep = getDependence(Address);
+  if (OldDep) {
+    // The address of 'SI' has already been tainted.  Just need to absorb the
+    // DepVal to the existing dependence in the address of SI.
+    Instruction* AndDep = getAndDependence(Address);
+    IRBuilder<true, NoFolder> Builder(AndDep);
+    Value* NewDep = nullptr;
+    if (DepVal->getType() == AndDep->getType()) {
+      NewDep = Builder.CreateAnd(OldDep, DepVal);
+    } else {
+      NewDep = Builder.CreateAnd(
+          OldDep, createCast(Builder, DepVal, TargetIntegerType));
+    }
+
+    // Use the new AND instruction as the dependence
+    AndDep->setOperand(0, NewDep);
+    return true;
+  }
+
+  // SI's address has not been tainted. Now taint it with 'DepVal'.
+  Value* CastDepToInt = createCast(Builder, DepVal, TargetIntegerType);
+  Value* PtrToIntCast = Builder.CreatePtrToInt(Address, TargetIntegerType);
+  Value* AndDepVal =
+      Builder.CreateAnd(CastDepToInt, ConstantInt::get(TargetIntegerType, 0));
+  // XXX-comment: The original IR InstCombiner would change our and instruction
+  // to a select and then the back end optimize the condition out.  We attach a
+  // flag to instructions and set it here to inform the InstCombiner to not to
+  // touch this and instruction at all.
+  Value* OrAddr = Builder.CreateOr(AndDepVal, PtrToIntCast);
+  Value* NewAddr = Builder.CreateIntToPtr(OrAddr, Address->getType());
+
+  DEBUG(dbgs() << "[taintStoreAddress]\n"
+               << "Original store: " << *SI << '\n');
+  SI->setOperand(1, NewAddr);
+
+  // Debug output.
+  DEBUG(dbgs() << "\tTargetIntegerType: " << *TargetIntegerType << '\n'
+               << "\tCast dependence value to integer: " << *CastDepToInt
+               << '\n'
+               << "\tCast address to integer: " << *PtrToIntCast << '\n'
+               << "\tAnd dependence value: " << *AndDepVal << '\n'
+               << "\tOr address: " << *OrAddr << '\n'
+               << "\tCast or instruction to address: " << *NewAddr << "\n\n");
+
+  return true;
+}
+
+// Given the load part result of a RMW 'LoadPart', taints the address of the store
+// exclusive 'Addr' and returns it.
+Value* taintRMWStoreAddressWithLoadPart(IRBuilder<>& Builder, Value* Address, Instruction* LoadPart) {
+  auto* BB = LoadPart->getParent();
+
+  Type* TargetIntegerType =
+      IntegerType::get(Address->getContext(),
+                       BB->getModule()->getDataLayout().getPointerSizeInBits());
+
+  // SI's address has not been tainted. Now taint it with 'DepVal'.
+  Value* CastDepToInt = createCast(Builder, LoadPart, TargetIntegerType);
+  Value* PtrToIntCast = Builder.CreatePtrToInt(Address, TargetIntegerType);
+  Value* AndDepVal =
+      Builder.CreateAnd(CastDepToInt, ConstantInt::get(TargetIntegerType, 0));
+  Value* OrAddr = Builder.CreateOr(AndDepVal, PtrToIntCast);
+  Value* NewAddr = Builder.CreateIntToPtr(OrAddr, Address->getType());
+
+  DEBUG(dbgs() << "[taintStoreAddressOfRMWStorePart]\n"
+               << "Original address: " << *Address << '\n');
+
+  // Debug output.
+  DEBUG(dbgs() << "\tTargetIntegerType: " << *TargetIntegerType << '\n'
+               << "\tCast dependence value to integer: " << *CastDepToInt
+               << '\n'
+               << "\tCast address to integer: " << *PtrToIntCast << '\n'
+               << "\tAnd dependence value: " << *AndDepVal << '\n'
+               << "\tOr address: " << *OrAddr << '\n'
+               << "\tCast or instruction to address: " << *NewAddr << "\n\n");
+
+  return NewAddr;
+}
+
+// Looks for the previous store in the if block --- 'BrBB', which makes the
+// speculative store 'StoreToHoist' safe.
+Value* getSpeculativeStoreInPrevBB(StoreInst* StoreToHoist, BasicBlock* BrBB) {
+  assert(StoreToHoist && "StoreToHoist must be a real store");
+
+  Value* StorePtr = StoreToHoist->getPointerOperand();
+
+  // Look for a store to the same pointer in BrBB.
+  for (BasicBlock::reverse_iterator RI = BrBB->rbegin(), RE = BrBB->rend();
+       RI != RE; ++RI) {
+    Instruction* CurI = &*RI;
+
+    StoreInst* SI = dyn_cast<StoreInst>(CurI);
+    // Found the previous store make sure it stores to the same location.
+    // XXX-update: If the previous store's original untainted address are the
+    // same as 'StorePtr', we are also good to hoist the store.
+    if (SI && (SI->getPointerOperand() == StorePtr ||
+               GetUntaintedAddress(SI->getPointerOperand()) == StorePtr)) {
+      // Found the previous store, return its value operand.
+      return SI;
+    }
+  }
+
+  assert(false &&
+         "We should not reach here since this store is safe to speculate");
+}
+
+// XXX-comment: Returns true if it changes the code, false otherwise (the branch
+// condition already depends on 'DepVal'.
+bool taintConditionalBranch(BranchInst* BI, Value* DepVal) {
+  assert(BI->isConditional());
+  auto* Cond = BI->getOperand(0);
+  if (dependenceSetInclusion(Cond, DepVal)) {
+    // The dependence/ordering is self-evident.
+    return false;
+  }
+
+  IRBuilder<true, NoFolder> Builder(BI);
+  auto* AndDep =
+      Builder.CreateAnd(DepVal, ConstantInt::get(DepVal->getType(), 0));
+  auto* TruncAndDep =
+      Builder.CreateTrunc(AndDep, IntegerType::get(DepVal->getContext(), 1));
+  auto* OrCond = Builder.CreateOr(TruncAndDep, Cond);
+  BI->setOperand(0, OrCond);
+
+  // Debug output.
+  DEBUG(dbgs() << "\tTainted branch condition:\n" << *BI->getParent());
+
+  return true;
+}
+
+bool ConditionalBranchDependsOnValue(BranchInst* BI, Value* DepVal) {
+  assert(BI->isConditional());
+  auto* Cond = BI->getOperand(0);
+  return dependenceSetInclusion(Cond, DepVal);
+}
+
+// XXX-update: For an instruction (e.g., a relaxed load) 'Inst', find the first
+// immediate atomic store or the first conditional branch. Returns nullptr if
+// there's no such immediately following store/branch instructions, which we can
+// only enforce the load with 'acquire'. 'ChainedBB' contains all the blocks
+// chained together with unconditional branches from 'BB' to the block with the
+// first store/cond branch.
+template <typename Vector>
+Instruction* findFirstStoreCondBranchInst(Instruction* Inst, Vector* ChainedBB) {
+  // In some situations, relaxed loads can be left as is:
+  // 1. The relaxed load is used to calculate the address of the immediate
+  // following store;
+  // 2. The relaxed load is used as a condition in the immediate following
+  // condition, and there are no stores in between. This is actually quite
+  // common. E.g.,
+  // int r1 = x.load(relaxed);
+  // if (r1 != 0) {
+  //   y.store(1, relaxed);
+  // }
+  // However, in this function, we don't deal with them directly. Instead, we
+  // just find the immediate following store/condition branch and return it.
+
+  assert(ChainedBB != nullptr && "Chained BB should not be nullptr");
+  auto* BB = Inst->getParent();
+  ChainedBB->push_back(BB);
+  auto BE = BB->end();
+  auto BBI = BasicBlock::iterator(Inst);
+  BBI++;
+  while (true) {
+    for (; BBI != BE; BBI++) {
+      Instruction* Inst = &*BBI;
+      IntrinsicInst* II = dyn_cast<IntrinsicInst>(&*BBI);
+      if (II && II->getIntrinsicID() == Intrinsic::aarch64_stlxr) {
+        return II;
+      } else if (Inst->getOpcode() == Instruction::Store) {
+        return Inst;
+      } else if (Inst->getOpcode() == Instruction::Br) {
+        auto* BrInst = dyn_cast<BranchInst>(Inst);
+        if (BrInst->isConditional()) {
+          return Inst;
+        } else {
+          // Reinitialize iterators with the destination of the unconditional
+          // branch.
+          BB = BrInst->getSuccessor(0);
+          ChainedBB->push_back(BB);
+          BBI = BB->begin();
+          BE = BB->end();
+          break;
+        }
+      }
+    }
+    if (BBI == BE) {
+      return nullptr;
+    }
+  }
+}
+
+// XXX-update: Find the next node of the last relaxed load from 'FromInst' to
+// 'ToInst'. If none, return 'ToInst'.
+Instruction* findLastLoadNext(Instruction* FromInst, Instruction* ToInst) {
+  if (FromInst == ToInst) {
+    return ToInst;
+  }
+  Instruction* LastLoad = ToInst;
+  auto* BB = FromInst->getParent();
+  auto BE = BB->end();
+  auto BBI = BasicBlock::iterator(FromInst);
+  BBI++;
+  for (; BBI != BE && &*BBI != ToInst; BBI++) {
+    auto* LI = dyn_cast<LoadInst>(&*BBI);
+    if (LI == nullptr || !LI->isAtomic() || LI->getOrdering() != Monotonic) {
+      continue;
+    }
+    LastLoad = LI;
+    LastLoad = LastLoad->getNextNode();
+  }
+  return LastLoad;
+}
+
+// Inserts a fake conditional branch right after the instruction 'SplitInst',
+// and the branch condition is 'Condition'. 'SplitInst' will be placed in the
+// newly created block.
+void AddFakeConditionalBranch(Instruction* SplitInst, Value* Condition) {
+  auto* BB = SplitInst->getParent();
+  TerminatorInst* ThenTerm = nullptr;
+  TerminatorInst* ElseTerm = nullptr;
+  SplitBlockAndInsertIfThenElse(Condition, SplitInst, &ThenTerm, &ElseTerm);
+  assert(ThenTerm && ElseTerm &&
+         "Then/Else terminators cannot be empty after basic block spliting");
+  auto* ThenBB = ThenTerm->getParent();
+  auto* ElseBB = ElseTerm->getParent();
+  auto* TailBB = ThenBB->getSingleSuccessor();
+  assert(TailBB && "Tail block cannot be empty after basic block spliting");
+
+  ThenBB->disableCanEliminateBlock();
+  ThenBB->disableCanEliminateBlock();
+  TailBB->disableCanEliminateBlock();
+  ThenBB->setName(BB->getName() + "Then.Fake");
+  ElseBB->setName(BB->getName() + "Else.Fake");
+  DEBUG(dbgs() << "Add fake conditional branch:\n"
+               << "Then Block:\n"
+               << *ThenBB << "Else Block:\n"
+               << *ElseBB << "\n");
+}
+
+// Returns true if the code is changed, and false otherwise.
+void TaintRelaxedLoads(Instruction* UsageInst, Instruction* InsertPoint) {
+  // For better performance, we can add a "AND X 0" instruction before the
+  // condition.
+  auto* BB = UsageInst->getParent();
+  if (InsertPoint == nullptr) {
+    InsertPoint = UsageInst->getNextNode();
+  }
+  // Insert instructions after PHI nodes.
+  while (dyn_cast<PHINode>(InsertPoint)) {
+    InsertPoint = InsertPoint->getNextNode();
+  }
+  // First thing is to cast 'UsageInst' to an integer type if necessary.
+  Value* AndTarget = nullptr;
+  Type* TargetIntegerType =
+      IntegerType::get(UsageInst->getContext(),
+                       BB->getModule()->getDataLayout().getPointerSizeInBits());
+
+  // Check whether InsertPoint is a added fake conditional branch.
+  BranchInst* BI = nullptr;
+  if ((BI = dyn_cast<BranchInst>(InsertPoint)) && BI->isConditional()) {
+    auto* Cond = dyn_cast<Instruction>(BI->getOperand(0));
+    if (Cond && Cond->getOpcode() == Instruction::ICmp) {
+      auto* CmpInst = dyn_cast<ICmpInst>(Cond);
+      auto* Op0 = dyn_cast<Instruction>(Cond->getOperand(0));
+      auto* Op1 = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1));
+      // %tmp = And X, 0
+      // %cmp = ICMP_NE %tmp, 0
+      // Br %cmp
+      // =>
+      // %tmp1 = And X, NewTaintedVal
+      // %tmp2 = And %tmp1, 0
+      // %cmp = ICMP_NE %tmp2, 0
+      // Br %cmp
+      if (CmpInst && CmpInst->getPredicate() == CmpInst::ICMP_NE && Op0 &&
+          Op0->getOpcode() == Instruction::And && Op1 && Op1->isZero()) {
+        auto* Op01 = dyn_cast<ConstantInt>(Op0->getOperand(1));
+        if (Op01 && Op01->isZero()) {
+          // Now we have a previously added fake cond branch.
+          auto* Op00 = Op0->getOperand(0);
+          IRBuilder<true, NoFolder> Builder(CmpInst);
+          if (Op00->getType() == UsageInst->getType()) {
+            AndTarget = UsageInst;
+          } else {
+            AndTarget = createCast(Builder, UsageInst, Op00->getType());
+          }
+          AndTarget = Builder.CreateAnd(Op00, AndTarget);
+          auto* AndZero = dyn_cast<Instruction>(Builder.CreateAnd(
+              AndTarget, Constant::getNullValue(AndTarget->getType())));
+          CmpInst->setOperand(0, AndZero);
+          return;
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  IRBuilder<true, NoFolder> Builder(InsertPoint);
+  if (IntegerType::classof(UsageInst->getType())) {
+    AndTarget = UsageInst;
+  } else {
+    AndTarget = createCast(Builder, UsageInst, TargetIntegerType);
+  }
+  auto* AndZero = dyn_cast<Instruction>(
+      Builder.CreateAnd(AndTarget, Constant::getNullValue(AndTarget->getType())));
+  auto* FakeCondition = dyn_cast<Instruction>(Builder.CreateICmp(
+      CmpInst::ICMP_NE, AndZero, Constant::getNullValue(AndTarget->getType())));
+  AddFakeConditionalBranch(FakeCondition->getNextNode(), FakeCondition);
+}
+
+// Taints the 'Inst' (i.e., adds a fake conditional block that uses the 'Inst')
+// at the beginning of basic block 'BB'. Note that we need to add an appropriate
+// PHI node and taint the PHI node. Returns true if the code is changed, and
+// false otherwise.
+void TaintAtBlockBeginning(Instruction* Inst, BasicBlock* BB) {
+  auto* CurBB = Inst->getParent();
+  auto* FirstInst = BB->getFirstNonPHI();
+  IRBuilder<true, NoFolder> Builder(FirstInst);
+  auto* Phi = Builder.CreatePHI(Inst->getType(), 0, Inst->getName() + ".phi");
+  // Multiple blocks going to BB. We should add a PHI node w.r.t. 'Inst'.
+  for (auto* Pred : predecessors(BB)) {
+    Value* Val = nullptr;
+    if (Pred == CurBB) {
+      Val = Inst;
+    } else {
+      // We don't care what value other paths are.
+      Val = UndefValue::get(Inst->getType());
+    }
+    Phi->addIncoming(Val, Pred);
+  }
+  return TaintRelaxedLoads(Phi, Phi);
+}
+
+// XXX-comment: Finds the appropriate Value derived from an atomic load.
+// 'ChainedBB' contains all the blocks chained together with unconditional
+// branches from LI's parent BB to the block with the first store/cond branch.
+// If we don't find any, it means 'LI' is not used at all (which should not
+// happen in practice). We can simply set 'LI' to be acquire just to be safe.
+template <typename Vector>
+Instruction* findMostRecentDependenceUsage(LoadInst* LI, Instruction* LaterInst,
+                                           Vector* ChainedBB,
+                                           DominatorTree* DT) {
+  typedef SmallSet<Instruction*, 8> UsageSet;
+  typedef DenseMap<BasicBlock*, std::unique_ptr<UsageSet>> UsageMap;
+  assert(ChainedBB->size() >= 1 && "ChainedBB must have >=1 size");
+  // Mapping from basic block in 'ChainedBB' to the set of dependence usage of
+  // 'LI' in each block.
+  UsageMap usage_map;
+  auto* LoadBB = LI->getParent();
+  usage_map[LoadBB] = make_unique<UsageSet>();
+  usage_map[LoadBB]->insert(LI);
+
+  for (auto* BB : *ChainedBB) {
+    if (usage_map[BB] == nullptr) {
+      usage_map[BB] = make_unique<UsageSet>();
+    }
+    auto& usage_set = usage_map[BB];
+    if (usage_set->size() == 0) {
+      // The value has not been used.
+      return nullptr;
+    }
+    // Calculate the usage in the current BB first.
+    std::list<Value*> bb_usage_list;
+    std::copy(usage_set->begin(), usage_set->end(),
+              std::back_inserter(bb_usage_list));
+    for (auto list_iter = bb_usage_list.begin();
+         list_iter != bb_usage_list.end(); list_iter++) {
+      auto* val = *list_iter;
+      for (auto* U : val->users()) {
+        Instruction* Inst = nullptr;
+        if (!(Inst = dyn_cast<Instruction>(U))) {
+          continue;
+        }
+        assert(Inst && "Usage value must be an instruction");
+        auto iter =
+            std::find(ChainedBB->begin(), ChainedBB->end(), Inst->getParent());
+        if (iter == ChainedBB->end()) {
+          // Only care about usage within ChainedBB.
+          continue;
+        }
+        auto* UsageBB = *iter;
+        if (UsageBB == BB) {
+          // Current BB.
+          if (!usage_set->count(Inst)) {
+            bb_usage_list.push_back(Inst);
+            usage_set->insert(Inst);
+          }
+        } else {
+          // A following BB.
+          if (usage_map[UsageBB] == nullptr) {
+            usage_map[UsageBB] = make_unique<UsageSet>();
+          }
+          usage_map[UsageBB]->insert(Inst);
+        }
+      }
+    }
+  }
+
+  // Pick one usage that is in LaterInst's block and that dominates 'LaterInst'.
+  auto* LaterBB = LaterInst->getParent();
+  auto& usage_set = usage_map[LaterBB];
+  Instruction* usage_inst = nullptr;
+  for (auto* inst : *usage_set) {
+    if (DT->dominates(inst, LaterInst)) {
+      usage_inst = inst;
+      break;
+    }
+  }
+
+  assert(usage_inst && "The usage instruction in the same block but after the "
+                       "later instruction");
+  return usage_inst;
+}
+
+// XXX-comment: For an instruction (e.g., a load) 'Inst', and the first upcoming
+// store/conditional branch instruction 'FirstInst', returns whether there are
+// any intermediate instructions I (including 'FirstInst') that satisfy:
+// 1. I is a load/store, and its address depends on 'Inst'.
+// 2. I is a conditional branch whose condition depends on 'Inst'.
+// Note that 'Inst' and 'FirstInst' can be in different basic blocks, but Inst's
+// basic block can unconditionally jumps (by steps) to FirstInst's block.
+bool NeedExtraConstraints(Instruction* Inst, Instruction* FirstInst) {
+  if (!FirstInst) {
+    return true;
+  }
+  auto BBI = Inst->getIterator();
+  BBI++;
+  while (true) {
+    auto* I = &*BBI;
+    BBI++;
+    BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I);
+    if (BI && BI->isUnconditional()) {
+      BasicBlock *DestBB = BI->getSuccessor(0);
+      BBI = DestBB->begin();
+      continue;
+    }
+
+    if (I->getOpcode() == Instruction::Store) {
+      return !StoreAddressDependOnValue(dyn_cast<StoreInst>(I), Inst);
+    } else if (I->getOpcode() == Instruction::Load) {
+      if (I->isAtomic() &&
+          LoadAddressDependOnValue(dyn_cast<LoadInst>(I), Inst)) {
+        // Normal loads are subject to be reordered by the backend, so we only
+        // rely on atomic loads.
+        return false;
+      }
+    } else if (I->getOpcode() == Instruction::Br) {
+      return !ConditionalBranchDependsOnValue(dyn_cast<BranchInst>(I), Inst);
+    }
+    if (I == FirstInst) {
+      return true;
+    }
+  }
+  return true;
+}
+
+// XXX-comment: For an instruction (e.g., a load) 'Inst', returns whether there
+// are any intermediate instructions I (including 'FirstInst') that satisfy:
+// 1. There are no reachable store/conditional branch before 'I'.
+// 2. I is a load/store, and its address depends on 'Inst'.
+// 3. I is a conditional branch whose condition depends on 'Inst'.
+// Note that 'Inst' and 'FirstInst' can be in different basic blocks, but Inst's
+// basic block can unconditionally jumps (by steps) to FirstInst's block.
+bool NeedExtraConstraints(Instruction* Inst) {
+  SmallVector<BasicBlock*, 2> ChainedBB;
+  auto* FirstInst = findFirstStoreCondBranchInst(Inst, &ChainedBB);
+  return NeedExtraConstraints(Inst, FirstInst);
+}
+
+// XXX-comment: Returns whether the code has been changed.
+bool AddFakeConditionalBranchAfterMonotonicLoads(
+    SmallSet<LoadInst*, 1>& MonotonicLoadInsts, DominatorTree* DT) {
+  bool Changed = false;
+  while (!MonotonicLoadInsts.empty()) {
+    auto* LI = *MonotonicLoadInsts.begin();
+    MonotonicLoadInsts.erase(LI);
+    SmallVector<BasicBlock*, 2> ChainedBB;
+    auto* FirstInst = findFirstStoreCondBranchInst(LI, &ChainedBB);
+
+    // First check whether existing load-store ordering constraints exist.
+    if (FirstInst != nullptr && !NeedExtraConstraints(LI, FirstInst)) {
+      continue;
+    }
+
+    // We really need to process the relaxed load now. First see if we can delay
+    // the tainting.
+    if (FirstInst) {
+      auto* FirstInstBBTerm = FirstInst->getParent()->getTerminator();
+      while (FirstInst != FirstInstBBTerm) {
+        if (!CanDelayTainting(LI, FirstInst)) {
+          break;
+        }
+        FirstInst = FirstInst->getNextNode();
+      }
+    }
+
+    StoreInst* SI = nullptr;
+    IntrinsicInst* II = nullptr;
+    if (FirstInst) {
+      SI = dyn_cast<StoreInst>(FirstInst);
+      II = dyn_cast<IntrinsicInst>(FirstInst);
+    }
+    if (FirstInst &&
+        (SI || (II && II->getIntrinsicID() == Intrinsic::aarch64_stlxr))) {
+      // For immediately coming stores, taint the address of the store.
+      if (FirstInst->getParent() == LI->getParent() ||
+          DT->dominates(LI, FirstInst)) {
+        TaintRelaxedLoads(LI, FirstInst);
+        Changed = true;
+      } else {
+        auto* Inst =
+            findMostRecentDependenceUsage(LI, FirstInst, &ChainedBB, DT);
+        if (!Inst) {
+          LI->setOrdering(Acquire);
+          Changed = true;
+        } else {
+          TaintRelaxedLoads(Inst, FirstInst);
+          Changed = true;
+        }
+      }
+    } else {
+      // No upcoming branch
+      if (!FirstInst) {
+        TaintRelaxedLoads(LI, nullptr);
+        Changed = true;
+      } else {
+        // For immediately coming branch, directly add a fake branch.
+        if (FirstInst->getParent() == LI->getParent() ||
+            DT->dominates(LI, FirstInst)) {
+          TaintRelaxedLoads(LI, FirstInst);
+          Changed = true;
+        } else {
+          auto* Inst =
+              findMostRecentDependenceUsage(LI, FirstInst, &ChainedBB, DT);
+          if (Inst) {
+            TaintRelaxedLoads(Inst, FirstInst);
+          } else {
+            LI->setOrdering(Acquire);
+          }
+          Changed = true;
+        }
+      }
+    }
+  }
+  return Changed;
+}
+
+/**** Implementations of public methods for dependence tainting ****/
+Value* GetUntaintedAddress(Value* CurrentAddress) {
+  auto* OrAddress = getOrAddress(CurrentAddress);
+  if (OrAddress == nullptr) {
+    // Is it tainted by a select instruction?
+    auto* Inst = dyn_cast<Instruction>(CurrentAddress);
+    if (nullptr != Inst && Inst->getOpcode() == Instruction::Select) {
+      // A selection instruction.
+      if (Inst->getOperand(1) == Inst->getOperand(2)) {
+        return Inst->getOperand(1);
+      }
+    }
+
+    return CurrentAddress;
+  }
+
+  auto* CastToInt = dyn_cast<Instruction>(OrAddress->getOperand(1));
+  if (CastToInt && CastToInt->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
+    return CastToInt->getOperand(0);
+  } else {
+    // This should be a IntToPtr constant expression.
+    ConstantExpr* PtrToIntExpr =
+        dyn_cast<ConstantExpr>(OrAddress->getOperand(1));
+    if (PtrToIntExpr && PtrToIntExpr->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
+      return PtrToIntExpr->getOperand(0);
+    }
+  }
+
+  // Looks like it's not been dependence-tainted. Returns itself.
+  return CurrentAddress;
+}
+
+MemoryLocation GetUntaintedMemoryLocation(StoreInst* SI) {
+  AAMDNodes AATags;
+  SI->getAAMetadata(AATags);
+  const auto& DL = SI->getModule()->getDataLayout();
+  const auto* OriginalAddr = GetUntaintedAddress(SI->getPointerOperand());
+  DEBUG(if (OriginalAddr != SI->getPointerOperand()) {
+    dbgs() << "[GetUntaintedMemoryLocation]\n"
+           << "Storing address: " << *SI->getPointerOperand()
+           << "\nUntainted address: " << *OriginalAddr << "\n";
+  });
+  return MemoryLocation(OriginalAddr,
+                        DL.getTypeStoreSize(SI->getValueOperand()->getType()),
+                        AATags);
+}
+
+bool TaintDependenceToStore(StoreInst* SI, Value* DepVal) {
+  if (dependenceSetInclusion(SI, DepVal)) {
+    return false;
+  }
+
+  bool tainted = taintStoreAddress(SI, DepVal);
+  assert(tainted);
+  return tainted;
+}
+
+bool TaintDependenceToStoreAddress(StoreInst* SI, Value* DepVal) {
+  if (dependenceSetInclusion(SI->getPointerOperand(), DepVal)) {
+    return false;
+  }
+
+  bool tainted = taintStoreAddress(SI, DepVal);
+  assert(tainted);
+  return tainted;
+}
+
+bool CompressTaintedStore(BasicBlock* BB) {
+  // This function looks for windows of adajcent stores in 'BB' that satisfy the
+  // following condition (and then do optimization):
+  // *Addr(d1) = v1, d1 is a condition and is the only dependence the store's
+  //                 address depends on && Dep(v1) includes Dep(d1);
+  // *Addr(d2) = v2, d2 is a condition and is the only dependnece the store's
+  //                 address depends on && Dep(v2) includes Dep(d2) &&
+  //                 Dep(d2) includes Dep(d1);
+  // ...
+  // *Addr(dN) = vN, dN is a condition and is the only dependence the store's
+  //                 address depends on && Dep(dN) includes Dep(d"N-1").
+  //
+  // As a result, Dep(dN) includes [Dep(d1) V ... V Dep(d"N-1")], so we can
+  // safely transform the above to the following. In between these stores, we
+  // can omit untainted stores to the same address 'Addr' since they internally
+  // have dependence on the previous stores on the same address.
+  // =>
+  // *Addr = v1
+  // *Addr = v2
+  // *Addr(d3) = v3
+  for (auto BI = BB->begin(), BE = BB->end(); BI != BE; BI++) {
+    // Look for the first store in such a window of adajacent stores.
+    auto* FirstSI = dyn_cast<StoreInst>(&*BI);
+    if (!FirstSI) {
+      continue;
+    }
+
+    // The first store in the window must be tainted.
+    auto* UntaintedAddress = GetUntaintedAddress(FirstSI->getPointerOperand());
+    if (UntaintedAddress == FirstSI->getPointerOperand()) {
+      continue;
+    }
+
+    // The first store's address must directly depend on and only depend on a
+    // condition.
+    auto* FirstSIDepCond = getConditionDependence(FirstSI->getPointerOperand());
+    if (nullptr == FirstSIDepCond) {
+      continue;
+    }
+
+    // Dep(first store's storing value) includes Dep(tainted dependence).
+    if (!dependenceSetInclusion(FirstSI->getValueOperand(), FirstSIDepCond)) {
+      continue;
+    }
+
+    // Look for subsequent stores to the same address that satisfy the condition
+    // of "compressing the dependence".
+    SmallVector<StoreInst*, 8> AdajacentStores;
+    AdajacentStores.push_back(FirstSI);
+    auto BII = BasicBlock::iterator(FirstSI);
+    for (BII++; BII != BE; BII++) {
+      auto* CurrSI = dyn_cast<StoreInst>(&*BII);
+      if (!CurrSI) {
+        if (BII->mayHaveSideEffects()) {
+          // Be conservative. Instructions with side effects are similar to
+          // stores.
+          break;
+        }
+        continue;
+      }
+
+      auto* OrigAddress = GetUntaintedAddress(CurrSI->getPointerOperand());
+      auto* CurrSIDepCond = getConditionDependence(CurrSI->getPointerOperand());
+      // All other stores must satisfy either:
+      // A. 'CurrSI' is an untainted store to the same address, or
+      // B. the combination of the following 5 subconditions:
+      // 1. Tainted;
+      // 2. Untainted address is the same as the group's address;
+      // 3. The address is tainted with a sole value which is a condition;
+      // 4. The storing value depends on the condition in 3.
+      // 5. The condition in 3 depends on the previous stores dependence
+      // condition.
+
+      // Condition A. Should ignore this store directly.
+      if (OrigAddress == CurrSI->getPointerOperand() &&
+          OrigAddress == UntaintedAddress) {
+        continue;
+      }
+      // Check condition B.
+      if (OrigAddress == CurrSI->getPointerOperand() ||
+          OrigAddress != UntaintedAddress || CurrSIDepCond == nullptr ||
+          !dependenceSetInclusion(CurrSI->getValueOperand(), CurrSIDepCond)) {
+        // Check condition 1, 2, 3 & 4.
+        break;
+      }
+
+      // Check condition 5.
+      StoreInst* PrevSI = AdajacentStores[AdajacentStores.size() - 1];
+      auto* PrevSIDepCond = getConditionDependence(PrevSI->getPointerOperand());
+      assert(PrevSIDepCond &&
+             "Store in the group must already depend on a condtion");
+      if (!dependenceSetInclusion(CurrSIDepCond, PrevSIDepCond)) {
+        break;
+      }
+
+      AdajacentStores.push_back(CurrSI);
+    }
+
+    if (AdajacentStores.size() == 1) {
+      // The outer loop should keep looking from the next store.
+      continue;
+    }
+
+    // Now we have such a group of tainted stores to the same address.
+    DEBUG(dbgs() << "[CompressTaintedStore]\n");
+    DEBUG(dbgs() << "Original BB\n");
+    DEBUG(dbgs() << *BB << '\n');
+    auto* LastSI = AdajacentStores[AdajacentStores.size() - 1];
+    for (unsigned i = 0; i < AdajacentStores.size() - 1; ++i) {
+      auto* SI = AdajacentStores[i];
+
+      // Use the original address for stores before the last one.
+      SI->setOperand(1, UntaintedAddress);
+
+      DEBUG(dbgs() << "Store address has been reversed: " << *SI << '\n';);
+    }
+    // XXX-comment: Try to make the last store use fewer registers.
+    // If LastSI's storing value is a select based on the condition with which
+    // its address is tainted, transform the tainted address to a select
+    // instruction, as follows:
+    // r1 = Select Cond ? A : B
+    // r2 = Cond & 0
+    // r3 = Addr | r2
+    // *r3 = r1
+    // ==>
+    // r1 = Select Cond ? A : B
+    // r2 = Select Cond ? Addr : Addr
+    // *r2 = r1
+    // The idea is that both Select instructions depend on the same condition,
+    // so hopefully the backend can generate two cmov instructions for them (and
+    // this saves the number of registers needed).
+    auto* LastSIDep = getConditionDependence(LastSI->getPointerOperand());
+    auto* LastSIValue = dyn_cast<Instruction>(LastSI->getValueOperand());
+    if (LastSIValue && LastSIValue->getOpcode() == Instruction::Select &&
+        LastSIValue->getOperand(0) == LastSIDep) {
+      // XXX-comment: Maybe it's better for us to just leave it as an and/or
+      // dependence pattern.
+      //      /*
+      IRBuilder<true, NoFolder> Builder(LastSI);
+      auto* Address =
+          Builder.CreateSelect(LastSIDep, UntaintedAddress, UntaintedAddress);
+      LastSI->setOperand(1, Address);
+      DEBUG(dbgs() << "The last store becomes :" << *LastSI << "\n\n";);
+      //      */
+    }
+  }
+
+  return true;
+}
+
+bool PassDependenceToStore(Value* OldAddress, StoreInst* NewStore) {
+  Value* OldDep = getDependence(OldAddress);
+  // Return false when there's no dependence to pass from the OldAddress.
+  if (!OldDep) {
+    return false;
+  }
+
+  // No need to pass the dependence to NewStore's address if it already depends
+  // on whatever 'OldAddress' depends on.
+  if (StoreAddressDependOnValue(NewStore, OldDep)) {
+    return false;
+  }
+  return taintStoreAddress(NewStore, OldAddress);
+}
+
+SmallSet<Value*, 8> FindDependence(Value* Val) {
+  SmallSet<Value*, 8> DepSet;
+  recursivelyFindDependence(&DepSet, Val, true /*Only insert leaf nodes*/);
+  return DepSet;
+}
+
+bool StoreAddressDependOnValue(StoreInst* SI, Value* DepVal) {
+  return dependenceSetInclusion(SI->getPointerOperand(), DepVal);
+}
+
+bool LoadAddressDependOnValue(LoadInst* LI, Value* DepVal) {
+  return dependenceSetInclusion(LI->getPointerOperand(), DepVal);
+}
+
+bool StoreDependOnValue(StoreInst* SI, Value* Dep) {
+  return dependenceSetInclusion(SI, Dep);
+}
+
+bool ValueDependOnValue(Value* Inst, Value* Dep) {
+  return dependenceSetInclusion(Inst, Dep);
+}
+
+// XXX-update: Checks whether the relaxed load 'LI' has subsequent instructions
+// that naturally prevents it from being reordered across later stores.
+bool HasSubsequentOrderingProtection(LoadInst* LI) {
+  auto* BB = LI->getParent();
+  auto* Term = BB->getTerminator();
+  for (auto Iter = BasicBlock::iterator(LI->getNextNode()); Iter != BB->end();
+       Iter++) {
+    Instruction* I = &*Iter;
+
+    // Reaching the end of the block.
+    if (I == Term) {
+      auto* Branch = dyn_cast<BranchInst>(Term);
+      // The last instruction isn't a branch, end of analysis.
+      if (!Branch) {
+        return false;
+      }
+      if (Branch->isConditional()) {
+        if (ValueDependOnValue(Branch, LI)) {
+          // 'LI' is used in the conditional branch.
+          return true;
+        } else {
+          // Reach the end with a cond branch that doesn't use the result of
+          // 'LI'.
+          return false;
+        }
+      } else {
+        // Reach the end with a unconditional branch, keep going to the next
+        // block.
+        BB = BB->getSingleSuccessor();
+        Term = BB->getTerminator();
+        Iter = BB->begin();
+        continue;
+      }
+    }
+
+    // 'I' is a CAS whose old value depends on 'LI'. We don't need to taint 'LI'
+    // then.
+    auto* CAS = dyn_cast<AtomicCmpXchgInst>(I);
+    if (CAS) {
+      if (ValueDependOnValue(CAS->getCompareOperand(), LI)) {
+        return true;
+      }
+    }
+
+    // fetch_* operations that have acquire-release semantics.
+    auto* RMW = dyn_cast<AtomicRMWInst>(I);
+    if (RMW) {
+      auto Order = RMW->getOrdering();
+      if (Order == AcquireRelease || Order == SequentiallyConsistent) {
+        return true;
+      }
+    }
+
+    // A load whose address depends on 'LI' prevents later stores from being
+    // reordered.
+    auto* LdInst = dyn_cast<LoadInst>(I);
+    if (LdInst) {
+      if (ValueDependOnValue(LdInst->getPointerOperand(), LI)) {
+        return true;
+      }
+    }
+
+    // Other instructions that don't affect the reordering.
+    if (!I->mayHaveSideEffects()) {
+      continue;
+    }
+
+    // A store whose address depends on 'LI' is also protection.
+    auto* SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
+    if (SI) {
+      if (ValueDependOnValue(SI->getPointerOperand(), LI)) {
+        return true;
+      }
+    }
+
+    // The following are store/store-like operations. They don't protect later
+    // stores from being reordered across 'LI', but the analysis can go on if
+    // they naturally can't be reordered across 'LI' themselves.
+    {
+      // Release (or stronger) store.
+      if (SI) {
+        auto Order = SI->getOrdering();
+        if (Order == Release || Order == SequentiallyConsistent) {
+          continue;
+        }
+      }
+
+      // Release (or stronger) fetch_*.
+      if (RMW) {
+        auto Order = RMW->getOrdering();
+        if (Order == Release || Order == AcquireRelease ||
+            Order == SequentiallyConsistent) {
+          continue;
+        }
+      }
+
+      // The instruction naturally depends on 'LI'.
+      if (ValueDependOnValue(I, LI)) {
+        continue;
+      }
+    }
+    // Otherwise, we need to taint 'LI'.
+    // XXX-comment: It may be a good idea that we can delay the fake conditional
+    // branch down to this instruction.
+    return false;
+  }
+
+  // Just in case, the loop should never end without reaching a return.
+  return false;
+}
+
+// XXX-update: Checks whether the tainting to instruction 'I' can be delayed
+// with respects to the relaxed load 'LI'. This usually means 'I' itself already
+// depends on the 'LI' or 'I' is a store/store-like atomic operation that has
+// release semantics.
+bool CanDelayTainting(LoadInst* LI, Instruction* I) {
+  if (I == I->getParent()->getTerminator()) {
+    return false;
+  }
+
+  if (!I->mayHaveSideEffects()) {
+    return true;
+  }
+
+  // The following are store/store-like operations. They don't protect later
+  // stores from being reordered across 'LI', but the analysis can go on if
+  // they naturally can't be reordered across 'LI' themselves.
+
+  // Release (or stronger) store.
+  auto* SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
+  if (SI) {
+    auto Order = SI->getOrdering();
+    if (Order == Release || Order == SequentiallyConsistent) {
+      return true;
+    }
+  }
+
+  // Release (or stronger) fetch_*.
+  auto* RMW = dyn_cast<AtomicRMWInst>(I);
+  if (RMW) {
+    auto Order = RMW->getOrdering();
+    if (Order == Release || Order == AcquireRelease ||
+        Order == SequentiallyConsistent) {
+      return true;
+    }
+  }
+
+  // The instruction naturally depends on 'LI'.
+  if (ValueDependOnValue(I, LI)) {
+    return true;
+  }
+
+  // Otherwise, be conservative and say no!
+  return false;
+}
+
+} // namespace llvm
diff --git a/lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.h b/lib/CodeGen/TaintRelaxedAtomicsUtils.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5e1a3c7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,265 @@
+//===- TaintRelaxedAtomicsUtils.h - Utils for Tainting Relaxed Atomics --------===//
+//
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
+//
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+//
+// This file contains util functions for taiting relaxed atomics to enforce
+// strong ordering.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+
+#ifndef _TAINTRELAXEDATOMICSUTILS_H
+#define _TAINTRELAXEDATOMICSUTILS_H
+
+#include "llvm/CodeGen/Passes.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/SetVector.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
+#include "llvm/Analysis/MemoryLocation.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
+#include "llvm/IR/CallSite.h"
+#include "llvm/IR/Constants.h"
+#include "llvm/IR/DataLayout.h"
+#include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
+#include "llvm/IR/Dominators.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
+#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
+#include "llvm/IR/InlineAsm.h"
+#include "llvm/IR/InstIterator.h"
+#include "llvm/IR/InstrTypes.h"
+#include "llvm/IR/Instructions.h"
+#include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
+#include "llvm/IR/MDBuilder.h"
+#include "llvm/IR/NoFolder.h"
+#include "llvm/IR/PatternMatch.h"
+#include "llvm/IR/Statepoint.h"
+#include "llvm/IR/ValueHandle.h"
+#include "llvm/IR/ValueMap.h"
+#include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/Support/CommandLine.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
+#include "llvm/Target/TargetLowering.h"
+#include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BuildLibCalls.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BypassSlowDivision.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyLibCalls.h"
+using namespace llvm;
+
+namespace llvm {
+
+bool StoreAddressDependOnValue(StoreInst* SI, Value* DepVal);
+
+bool LoadAddressDependOnValue(LoadInst* LI, Value* DepVal);
+
+Value* GetUntaintedAddress(Value* CurrentAddress);
+
+// Helper function to create a Cast instruction.
+template <typename BuilderTy>
+Value* createCast(BuilderTy& Builder, Value* DepVal, Type* TargetIntegerType);
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns the
+// instruction that ORs the "dependence value" with the "original address".
+// Otherwise, returns nullptr.  This instruction is the first OR instruction
+// where one of its operand is an AND instruction with an operand being 0.
+//
+// E.g., it returns '%4 = or i32 %3, %2' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Instruction* getOrAddress(Value* CurrentAddress);
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns the
+// instruction that taints the "dependence value". Otherwise, returns nullptr.
+// This instruction is the last AND instruction where one of its operand is 0.
+// E.g., it returns '%3' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Instruction* getAndDependence(Value* CurrentAddress);
+
+// Given a value, if it's a tainted address, this function returns
+// the "dependence value", which is the first operand in the AND instruction.
+// E.g., it returns '%1' given 'CurrentAddress' is '%5'.
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+Value* getDependence(Value* CurrentAddress);
+
+// Given an address that has been tainted, returns the only condition it depends
+// on, if any; otherwise, returns nullptr.
+Value* getConditionDependence(Value* Address);
+
+// Conservatively decides whether the dependence set of 'Val1' includes the
+// dependence set of 'Val2'. If 'ExpandSecondValue' is false, we do not expand
+// 'Val2' and use that single value as its dependence set.
+// If it returns true, it means the dependence set of 'Val1' includes that of
+// 'Val2'; otherwise, it only means we cannot conclusively decide it.
+bool dependenceSetInclusion(Value* Val1, Value* Val2,
+                            int Val1ExpandLevel,
+                            int Val2ExpandLevel);
+
+// Recursively iterates through the operands spawned from 'DepVal'. If there
+// exists a single value that 'DepVal' only depends on, we call that value the
+// root dependence of 'DepVal' and return it. Otherwise, return 'DepVal'.
+Value* getRootDependence(Value* DepVal);
+
+// This function actually taints 'DepVal' to the address to 'SI'. If the
+// address
+// of 'SI' already depends on whatever 'DepVal' depends on, this function
+// doesn't do anything and returns false. Otherwise, returns true.
+//
+// This effect forces the store and any stores that comes later to depend on
+// 'DepVal'. For example, we have a condition "cond", and a store instruction
+// "s: STORE addr, val". If we want "s" (and any later store) to depend on
+// "cond", we do the following:
+// %conv = sext i1 %cond to i32
+// %addrVal = ptrtoint i32* %addr to i32
+// %andCond = and i32 conv, 0;
+// %orAddr = or i32 %andCond, %addrVal;
+// %NewAddr = inttoptr i32 %orAddr to i32*;
+//
+// This is a more concrete example:
+// ------
+// %0 = load i32, i32* @y, align 4, !tbaa !1
+// %cmp = icmp ne i32 %0, 42  // <== this is like the condition
+// %1 = sext i1 %cmp to i32
+// %2 = ptrtoint i32* @x to i32
+// %3 = and i32 %1, 0
+// %4 = or i32 %3, %2
+// %5 = inttoptr i32 %4 to i32*
+// store i32 1, i32* %5, align 4
+bool taintStoreAddress(StoreInst* SI, Value* DepVal);
+
+// Given the load part result of a RMW 'LoadPart', taints the address of the
+// store exclusive 'Addr' and returns it.
+Value* taintRMWStoreAddressWithLoadPart(IRBuilder<>& Builder, Value* Address,
+                                        Instruction* LoadPart);
+
+// XXX-comment: Returns true if it changes the code, false otherwise (the
+// branch
+// condition already depends on 'DepVal'.
+bool taintConditionalBranch(BranchInst* BI, Value* DepVal);
+
+bool ConditionalBranchDependsOnValue(BranchInst* BI, Value* DepVal);
+
+// XXX-update: For an instruction (e.g., a relaxed load) 'Inst', find the first
+// immediate atomic store or the first conditional branch. Returns nullptr if
+// there's no such immediately following store/branch instructions, which we can
+// only enforce the load with 'acquire'. 'ChainedBB' contains all the blocks
+// chained together with unconditional branches from 'BB' to the block with the
+// first store/cond branch.
+template <typename Vector>
+Instruction* findFirstStoreCondBranchInst(Instruction* Inst, Vector* ChainedBB);
+
+// XXX-update: Find the next node of the last relaxed load from 'FromInst' to
+// 'ToInst'. If none, return 'ToInst'.
+Instruction* findLastLoadNext(Instruction* FromInst, Instruction* ToInst);
+
+// Inserts a fake conditional branch right after the instruction 'SplitInst',
+// and the branch condition is 'Condition'. 'SplitInst' will be placed in the
+// newly created block.
+void AddFakeConditionalBranch(Instruction* SplitInst, Value* Condition);
+
+// Returns true if the code is changed, and false otherwise.
+void TaintRelaxedLoads(Instruction* UsageInst, Instruction* InsertPoint);
+
+// Taints the 'Inst' (i.e., adds a fake conditional block that uses the 'Inst')
+// at the beginning of basic block 'BB'. Note that we need to add an appropriate
+// PHI node and taint the PHI node. Returns true if the code is changed, and
+// false otherwise.
+void TaintAtBlockBeginning(Instruction* Inst, BasicBlock* BB);
+
+// XXX-comment: Finds the appropriate Value derived from an atomic load.
+// 'ChainedBB' contains all the blocks chained together with unconditional
+// branches from LI's parent BB to the block with the first store/cond branch.
+// If we don't find any, it means 'LI' is not used at all (which should not
+// happen in practice). We can simply set 'LI' to be acquire just to be safe.
+template <typename Vector>
+Instruction* findMostRecentDependenceUsage(LoadInst* LI, Instruction* LaterInst,
+                                           Vector* ChainedBB,
+                                           DominatorTree* DT);
+
+// XXX-comment: For an instruction (e.g., a load) 'Inst', and the first upcoming
+// store/conditional branch instruction 'FirstInst', returns whether there are
+// any intermediate instructions I (including 'FirstInst') that satisfy:
+// 1. I is a load/store, and its address depends on 'Inst'.
+// 2. I is a conditional branch whose condition depends on 'Inst'.
+// Note that 'Inst' and 'FirstInst' can be in different basic blocks, but Inst's
+// basic block can unconditionally jumps (by steps) to FirstInst's block.
+bool NeedExtraConstraints(Instruction* Inst, Instruction* FirstInst);
+
+// XXX-comment: For an instruction (e.g., a load) 'Inst', returns whether there
+// are any intermediate instructions I (including 'FirstInst') that satisfy:
+// 1. There are no reachable store/conditional branch before 'I'.
+// 2. I is a load/store, and its address depends on 'Inst'.
+// 3. I is a conditional branch whose condition depends on 'Inst'.
+// Note that 'Inst' and 'FirstInst' can be in different basic blocks, but Inst's
+// basic block can unconditionally jumps (by steps) to FirstInst's block.
+bool NeedExtraConstraints(Instruction* Inst);
+
+// XXX-comment: Returns whether the code has been changed.
+bool AddFakeConditionalBranchAfterMonotonicLoads(
+    SmallSet<LoadInst*, 1>& MonotonicLoadInsts, DominatorTree* DT);
+
+/**** Public methods for dependence tainting ****/
+Value* GetUntaintedAddress(Value* CurrentAddress);
+
+MemoryLocation GetUntaintedMemoryLocation(StoreInst* SI);
+
+bool TaintDependenceToStore(StoreInst* SI, Value* DepVal);
+
+bool TaintDependenceToStoreAddress(StoreInst* SI, Value* DepVal);
+
+bool CompressTaintedStore(BasicBlock* BB);
+
+bool PassDependenceToStore(Value* OldAddress, StoreInst* NewStore);
+
+SmallSet<Value*, 8> FindDependence(Value* Val);
+
+bool StoreDependOnValue(StoreInst* SI, Value* Dep);
+
+bool ValueDependOnValue(Value * Inst, Value* Dep);
+
+// XXX-update: Checks whether the relaxed load 'LI' has subsequent instructions
+// that naturally prevents it from being reordered across later stores.
+bool HasSubsequentOrderingProtection(LoadInst* LI);
+
+
+// XXX-update: Checks whether the tainting to instruction 'I' can be delayed
+// with respects to the relaxed load 'LI'. This usually means 'I' itself already
+// depends on the 'LI' or 'I' is a store/store-like atomic operation that has
+// release semantics.
+bool CanDelayTainting(LoadInst* LI, Instruction* I);
+
+} // namespace llvm
+
+#endif