]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/IPO/ArgumentPromotion.cpp
Merge llvm, clang, lld, lldb, compiler-rt and libc++ r302418, and update
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote by-reference arguments ------------===//
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 pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If it can prove, through the use of alias analysis, that an
13 // argument is *only* loaded, then it can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code and lead to the elimination of allocas (especially in C++ template
16 // code like the STL).
17 //
18 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // by default it refuses to scalarize aggregates which would require passing in
21 // more than three operands to the function, because passing thousands of
22 // operands for a large array or structure is unprofitable! This limit can be
23 // configured or disabled, however.
24 //
25 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
26 // stored to (returning the value instead), but does not currently.  This case
27 // would be best handled when and if LLVM begins supporting multiple return
28 // values from functions.
29 //
30 //===----------------------------------------------------------------------===//
31
32 #include "llvm/Transforms/IPO/ArgumentPromotion.h"
33 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
34 #include "llvm/ADT/Optional.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
37 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
38 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
39 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
40 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
41 #include "llvm/Analysis/CallGraphSCCPass.h"
42 #include "llvm/Analysis/LazyCallGraph.h"
43 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
44 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
45 #include "llvm/IR/CFG.h"
46 #include "llvm/IR/CallSite.h"
47 #include "llvm/IR/Constants.h"
48 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
49 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
50 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
51 #include "llvm/IR/Instructions.h"
52 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
53 #include "llvm/IR/Module.h"
54 #include "llvm/Support/Debug.h"
55 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
56 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
57 #include <set>
58 using namespace llvm;
59
60 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
61
62 STATISTIC(NumArgumentsPromoted, "Number of pointer arguments promoted");
63 STATISTIC(NumAggregatesPromoted, "Number of aggregate arguments promoted");
64 STATISTIC(NumByValArgsPromoted, "Number of byval arguments promoted");
65 STATISTIC(NumArgumentsDead, "Number of dead pointer args eliminated");
66
67 /// A vector used to hold the indices of a single GEP instruction
68 typedef std::vector<uint64_t> IndicesVector;
69
70 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
71 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
72 /// safe to do so.
73 static Function *
74 doPromotion(Function *F, SmallPtrSetImpl<Argument *> &ArgsToPromote,
75             SmallPtrSetImpl<Argument *> &ByValArgsToTransform,
76             Optional<function_ref<void(CallSite OldCS, CallSite NewCS)>>
77                 ReplaceCallSite) {
78
79   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
80   // the old function, but has modified arguments.
81   FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
82   std::vector<Type *> Params;
83
84   typedef std::set<std::pair<Type *, IndicesVector>> ScalarizeTable;
85
86   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
87   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
88   // can add one argument for each.
89   //
90   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
91   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
92   //
93   std::map<Argument *, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
94
95   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
96   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
97   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
98   // We need to keep the original loads for each argument and the elements
99   // of the argument that are accessed.
100   std::map<std::pair<Argument *, IndicesVector>, LoadInst *> OriginalLoads;
101
102   // Attribute - Keep track of the parameter attributes for the arguments
103   // that we are *not* promoting. For the ones that we do promote, the parameter
104   // attributes are lost
105   SmallVector<AttributeSet, 8> ArgAttrVec;
106   AttributeList PAL = F->getAttributes();
107
108   // First, determine the new argument list
109   unsigned ArgNo = 0;
110   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
111        ++I, ++ArgNo) {
112     if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
113       // Simple byval argument? Just add all the struct element types.
114       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
115       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
116       Params.insert(Params.end(), STy->element_begin(), STy->element_end());
117       ArgAttrVec.insert(ArgAttrVec.end(), STy->getNumElements(),
118                         AttributeSet());
119       ++NumByValArgsPromoted;
120     } else if (!ArgsToPromote.count(&*I)) {
121       // Unchanged argument
122       Params.push_back(I->getType());
123       ArgAttrVec.push_back(PAL.getParamAttributes(ArgNo));
124     } else if (I->use_empty()) {
125       // Dead argument (which are always marked as promotable)
126       ++NumArgumentsDead;
127     } else {
128       // Okay, this is being promoted. This means that the only uses are loads
129       // or GEPs which are only used by loads
130
131       // In this table, we will track which indices are loaded from the argument
132       // (where direct loads are tracked as no indices).
133       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
134       for (User *U : I->users()) {
135         Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
136         Type *SrcTy;
137         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
138           SrcTy = L->getType();
139         else
140           SrcTy = cast<GetElementPtrInst>(UI)->getSourceElementType();
141         IndicesVector Indices;
142         Indices.reserve(UI->getNumOperands() - 1);
143         // Since loads will only have a single operand, and GEPs only a single
144         // non-index operand, this will record direct loads without any indices,
145         // and gep+loads with the GEP indices.
146         for (User::op_iterator II = UI->op_begin() + 1, IE = UI->op_end();
147              II != IE; ++II)
148           Indices.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
149         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
150         if (Indices.size() == 1 && Indices.front() == 0)
151           Indices.clear();
152         ArgIndices.insert(std::make_pair(SrcTy, Indices));
153         LoadInst *OrigLoad;
154         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(UI))
155           OrigLoad = L;
156         else
157           // Take any load, we will use it only to update Alias Analysis
158           OrigLoad = cast<LoadInst>(UI->user_back());
159         OriginalLoads[std::make_pair(&*I, Indices)] = OrigLoad;
160       }
161
162       // Add a parameter to the function for each element passed in.
163       for (const auto &ArgIndex : ArgIndices) {
164         // not allowed to dereference ->begin() if size() is 0
165         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(
166             cast<PointerType>(I->getType()->getScalarType())->getElementType(),
167             ArgIndex.second));
168         ArgAttrVec.push_back(AttributeSet());
169         assert(Params.back());
170       }
171
172       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->second.empty())
173         ++NumArgumentsPromoted;
174       else
175         ++NumAggregatesPromoted;
176     }
177   }
178
179   Type *RetTy = FTy->getReturnType();
180
181   // Construct the new function type using the new arguments.
182   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
183
184   // Create the new function body and insert it into the module.
185   Function *NF = Function::Create(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
186   NF->copyAttributesFrom(F);
187
188   // Patch the pointer to LLVM function in debug info descriptor.
189   NF->setSubprogram(F->getSubprogram());
190   F->setSubprogram(nullptr);
191
192   DEBUG(dbgs() << "ARG PROMOTION:  Promoting to:" << *NF << "\n"
193                << "From: " << *F);
194
195   // Recompute the parameter attributes list based on the new arguments for
196   // the function.
197   NF->setAttributes(AttributeList::get(F->getContext(), PAL.getFnAttributes(),
198                                        PAL.getRetAttributes(), ArgAttrVec));
199   ArgAttrVec.clear();
200
201   F->getParent()->getFunctionList().insert(F->getIterator(), NF);
202   NF->takeName(F);
203
204   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
205   // to pass in the loaded pointers.
206   //
207   SmallVector<Value *, 16> Args;
208   while (!F->use_empty()) {
209     CallSite CS(F->user_back());
210     assert(CS.getCalledFunction() == F);
211     Instruction *Call = CS.getInstruction();
212     const AttributeList &CallPAL = CS.getAttributes();
213
214     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
215     // appropriate.
216     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
217     ArgNo = 0;
218     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); I != E;
219          ++I, ++AI, ++ArgNo)
220       if (!ArgsToPromote.count(&*I) && !ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
221         Args.push_back(*AI); // Unmodified argument
222         ArgAttrVec.push_back(CallPAL.getParamAttributes(ArgNo));
223       } else if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
224         // Emit a GEP and load for each element of the struct.
225         Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
226         StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
227         Value *Idxs[2] = {
228             ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0), nullptr};
229         for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
230           Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
231           Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
232               STy, *AI, Idxs, (*AI)->getName() + "." + Twine(i), Call);
233           // TODO: Tell AA about the new values?
234           Args.push_back(new LoadInst(Idx, Idx->getName() + ".val", Call));
235           ArgAttrVec.push_back(AttributeSet());
236         }
237       } else if (!I->use_empty()) {
238         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
239         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
240         // Store the Value* version of the indices in here, but declare it now
241         // for reuse.
242         std::vector<Value *> Ops;
243         for (const auto &ArgIndex : ArgIndices) {
244           Value *V = *AI;
245           LoadInst *OrigLoad =
246               OriginalLoads[std::make_pair(&*I, ArgIndex.second)];
247           if (!ArgIndex.second.empty()) {
248             Ops.reserve(ArgIndex.second.size());
249             Type *ElTy = V->getType();
250             for (auto II : ArgIndex.second) {
251               // Use i32 to index structs, and i64 for others (pointers/arrays).
252               // This satisfies GEP constraints.
253               Type *IdxTy =
254                   (ElTy->isStructTy() ? Type::getInt32Ty(F->getContext())
255                                       : Type::getInt64Ty(F->getContext()));
256               Ops.push_back(ConstantInt::get(IdxTy, II));
257               // Keep track of the type we're currently indexing.
258               if (auto *ElPTy = dyn_cast<PointerType>(ElTy))
259                 ElTy = ElPTy->getElementType();
260               else
261                 ElTy = cast<CompositeType>(ElTy)->getTypeAtIndex(II);
262             }
263             // And create a GEP to extract those indices.
264             V = GetElementPtrInst::Create(ArgIndex.first, V, Ops,
265                                           V->getName() + ".idx", Call);
266             Ops.clear();
267           }
268           // Since we're replacing a load make sure we take the alignment
269           // of the previous load.
270           LoadInst *newLoad = new LoadInst(V, V->getName() + ".val", Call);
271           newLoad->setAlignment(OrigLoad->getAlignment());
272           // Transfer the AA info too.
273           AAMDNodes AAInfo;
274           OrigLoad->getAAMetadata(AAInfo);
275           newLoad->setAAMetadata(AAInfo);
276
277           Args.push_back(newLoad);
278           ArgAttrVec.push_back(AttributeSet());
279         }
280       }
281
282     // Push any varargs arguments on the list.
283     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI, ++ArgNo) {
284       Args.push_back(*AI);
285       ArgAttrVec.push_back(CallPAL.getParamAttributes(ArgNo));
286     }
287
288     SmallVector<OperandBundleDef, 1> OpBundles;
289     CS.getOperandBundlesAsDefs(OpBundles);
290
291     CallSite NewCS;
292     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
293       NewCS = InvokeInst::Create(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
294                                  Args, OpBundles, "", Call);
295     } else {
296       auto *NewCall = CallInst::Create(NF, Args, OpBundles, "", Call);
297       NewCall->setTailCallKind(cast<CallInst>(Call)->getTailCallKind());
298       NewCS = NewCall;
299     }
300     NewCS.setCallingConv(CS.getCallingConv());
301     NewCS.setAttributes(
302         AttributeList::get(F->getContext(), CallPAL.getFnAttributes(),
303                            CallPAL.getRetAttributes(), ArgAttrVec));
304     NewCS->setDebugLoc(Call->getDebugLoc());
305     uint64_t W;
306     if (Call->extractProfTotalWeight(W))
307       NewCS->setProfWeight(W);
308     Args.clear();
309     ArgAttrVec.clear();
310
311     // Update the callgraph to know that the callsite has been transformed.
312     if (ReplaceCallSite)
313       (*ReplaceCallSite)(CS, NewCS);
314
315     if (!Call->use_empty()) {
316       Call->replaceAllUsesWith(NewCS.getInstruction());
317       NewCS->takeName(Call);
318     }
319
320     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
321     // F.
322     Call->eraseFromParent();
323   }
324
325   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
326
327   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
328   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
329   // function empty.
330   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
331
332   // Loop over the argument list, transferring uses of the old arguments over to
333   // the new arguments, also transferring over the names as well.
334   //
335   for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end(),
336                               I2 = NF->arg_begin();
337        I != E; ++I) {
338     if (!ArgsToPromote.count(&*I) && !ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
339       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
340       // new version.
341       I->replaceAllUsesWith(&*I2);
342       I2->takeName(&*I);
343       ++I2;
344       continue;
345     }
346
347     if (ByValArgsToTransform.count(&*I)) {
348       // In the callee, we create an alloca, and store each of the new incoming
349       // arguments into the alloca.
350       Instruction *InsertPt = &NF->begin()->front();
351
352       // Just add all the struct element types.
353       Type *AgTy = cast<PointerType>(I->getType())->getElementType();
354       Value *TheAlloca = new AllocaInst(AgTy, DL.getAllocaAddrSpace(), nullptr,
355                                         "", InsertPt);
356       StructType *STy = cast<StructType>(AgTy);
357       Value *Idxs[2] = {ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), 0),
358                         nullptr};
359
360       for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
361         Idxs[1] = ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(F->getContext()), i);
362         Value *Idx = GetElementPtrInst::Create(
363             AgTy, TheAlloca, Idxs, TheAlloca->getName() + "." + Twine(i),
364             InsertPt);
365         I2->setName(I->getName() + "." + Twine(i));
366         new StoreInst(&*I2++, Idx, InsertPt);
367       }
368
369       // Anything that used the arg should now use the alloca.
370       I->replaceAllUsesWith(TheAlloca);
371       TheAlloca->takeName(&*I);
372
373       // If the alloca is used in a call, we must clear the tail flag since
374       // the callee now uses an alloca from the caller.
375       for (User *U : TheAlloca->users()) {
376         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(U);
377         if (!Call)
378           continue;
379         Call->setTailCall(false);
380       }
381       continue;
382     }
383
384     if (I->use_empty())
385       continue;
386
387     // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
388     // instructions (or GEPs with only load users), and all loads should be
389     // using the new argument that we added.
390     ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[&*I];
391
392     while (!I->use_empty()) {
393       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->user_back())) {
394         assert(ArgIndices.begin()->second.empty() &&
395                "Load element should sort to front!");
396         I2->setName(I->getName() + ".val");
397         LI->replaceAllUsesWith(&*I2);
398         LI->eraseFromParent();
399         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
400                      << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
401       } else {
402         GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->user_back());
403         IndicesVector Operands;
404         Operands.reserve(GEP->getNumIndices());
405         for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
406              II != IE; ++II)
407           Operands.push_back(cast<ConstantInt>(*II)->getSExtValue());
408
409         // GEPs with a single 0 index can be merged with direct loads
410         if (Operands.size() == 1 && Operands.front() == 0)
411           Operands.clear();
412
413         Function::arg_iterator TheArg = I2;
414         for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
415              It->second != Operands; ++It, ++TheArg) {
416           assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
417         }
418
419         std::string NewName = I->getName();
420         for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i) {
421           NewName += "." + utostr(Operands[i]);
422         }
423         NewName += ".val";
424         TheArg->setName(NewName);
425
426         DEBUG(dbgs() << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
427                      << "' of function '" << NF->getName() << "'\n");
428
429         // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
430         // the argument specified by ArgNo.
431         while (!GEP->use_empty()) {
432           LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->user_back());
433           L->replaceAllUsesWith(&*TheArg);
434           L->eraseFromParent();
435         }
436         GEP->eraseFromParent();
437       }
438     }
439
440     // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
441     std::advance(I2, ArgIndices.size());
442   }
443
444   return NF;
445 }
446
447 /// AllCallersPassInValidPointerForArgument - Return true if we can prove that
448 /// all callees pass in a valid pointer for the specified function argument.
449 static bool allCallersPassInValidPointerForArgument(Argument *Arg) {
450   Function *Callee = Arg->getParent();
451   const DataLayout &DL = Callee->getParent()->getDataLayout();
452
453   unsigned ArgNo = Arg->getArgNo();
454
455   // Look at all call sites of the function.  At this point we know we only have
456   // direct callees.
457   for (User *U : Callee->users()) {
458     CallSite CS(U);
459     assert(CS && "Should only have direct calls!");
460
461     if (!isDereferenceablePointer(CS.getArgument(ArgNo), DL))
462       return false;
463   }
464   return true;
465 }
466
467 /// Returns true if Prefix is a prefix of longer. That means, Longer has a size
468 /// that is greater than or equal to the size of prefix, and each of the
469 /// elements in Prefix is the same as the corresponding elements in Longer.
470 ///
471 /// This means it also returns true when Prefix and Longer are equal!
472 static bool isPrefix(const IndicesVector &Prefix, const IndicesVector &Longer) {
473   if (Prefix.size() > Longer.size())
474     return false;
475   return std::equal(Prefix.begin(), Prefix.end(), Longer.begin());
476 }
477
478 /// Checks if Indices, or a prefix of Indices, is in Set.
479 static bool prefixIn(const IndicesVector &Indices,
480                      std::set<IndicesVector> &Set) {
481   std::set<IndicesVector>::iterator Low;
482   Low = Set.upper_bound(Indices);
483   if (Low != Set.begin())
484     Low--;
485   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This means
486   // it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if such
487   // prefix exists.
488   //
489   // This load is safe if any prefix of its operands is safe to load.
490   return Low != Set.end() && isPrefix(*Low, Indices);
491 }
492
493 /// Mark the given indices (ToMark) as safe in the given set of indices
494 /// (Safe). Marking safe usually means adding ToMark to Safe. However, if there
495 /// is already a prefix of Indices in Safe, Indices are implicitely marked safe
496 /// already. Furthermore, any indices that Indices is itself a prefix of, are
497 /// removed from Safe (since they are implicitely safe because of Indices now).
498 static void markIndicesSafe(const IndicesVector &ToMark,
499                             std::set<IndicesVector> &Safe) {
500   std::set<IndicesVector>::iterator Low;
501   Low = Safe.upper_bound(ToMark);
502   // Guard against the case where Safe is empty
503   if (Low != Safe.begin())
504     Low--;
505   // Low is now the last element smaller than or equal to Indices. This
506   // means it points to a prefix of Indices (possibly Indices itself), if
507   // such prefix exists.
508   if (Low != Safe.end()) {
509     if (isPrefix(*Low, ToMark))
510       // If there is already a prefix of these indices (or exactly these
511       // indices) marked a safe, don't bother adding these indices
512       return;
513
514     // Increment Low, so we can use it as a "insert before" hint
515     ++Low;
516   }
517   // Insert
518   Low = Safe.insert(Low, ToMark);
519   ++Low;
520   // If there we're a prefix of longer index list(s), remove those
521   std::set<IndicesVector>::iterator End = Safe.end();
522   while (Low != End && isPrefix(ToMark, *Low)) {
523     std::set<IndicesVector>::iterator Remove = Low;
524     ++Low;
525     Safe.erase(Remove);
526   }
527 }
528
529 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
530 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
531 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
532 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
533 /// arguments passed in.
534 static bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg, bool isByValOrInAlloca,
535                                     AAResults &AAR, unsigned MaxElements) {
536   typedef std::set<IndicesVector> GEPIndicesSet;
537
538   // Quick exit for unused arguments
539   if (Arg->use_empty())
540     return true;
541
542   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
543   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
544   //
545   // Promoting the argument causes it to be loaded in the caller
546   // unconditionally. This is only safe if we can prove that either the load
547   // would have happened in the callee anyway (ie, there is a load in the entry
548   // block) or the pointer passed in at every call site is guaranteed to be
549   // valid.
550   // In the former case, invalid loads can happen, but would have happened
551   // anyway, in the latter case, invalid loads won't happen. This prevents us
552   // from introducing an invalid load that wouldn't have happened in the
553   // original code.
554   //
555   // This set will contain all sets of indices that are loaded in the entry
556   // block, and thus are safe to unconditionally load in the caller.
557   //
558   // This optimization is also safe for InAlloca parameters, because it verifies
559   // that the address isn't captured.
560   GEPIndicesSet SafeToUnconditionallyLoad;
561
562   // This set contains all the sets of indices that we are planning to promote.
563   // This makes it possible to limit the number of arguments added.
564   GEPIndicesSet ToPromote;
565
566   // If the pointer is always valid, any load with first index 0 is valid.
567   if (isByValOrInAlloca || allCallersPassInValidPointerForArgument(Arg))
568     SafeToUnconditionallyLoad.insert(IndicesVector(1, 0));
569
570   // First, iterate the entry block and mark loads of (geps of) arguments as
571   // safe.
572   BasicBlock &EntryBlock = Arg->getParent()->front();
573   // Declare this here so we can reuse it
574   IndicesVector Indices;
575   for (Instruction &I : EntryBlock)
576     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
577       Value *V = LI->getPointerOperand();
578       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(V)) {
579         V = GEP->getPointerOperand();
580         if (V == Arg) {
581           // This load actually loads (part of) Arg? Check the indices then.
582           Indices.reserve(GEP->getNumIndices());
583           for (User::op_iterator II = GEP->idx_begin(), IE = GEP->idx_end();
584                II != IE; ++II)
585             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*II))
586               Indices.push_back(CI->getSExtValue());
587             else
588               // We found a non-constant GEP index for this argument? Bail out
589               // right away, can't promote this argument at all.
590               return false;
591
592           // Indices checked out, mark them as safe
593           markIndicesSafe(Indices, SafeToUnconditionallyLoad);
594           Indices.clear();
595         }
596       } else if (V == Arg) {
597         // Direct loads are equivalent to a GEP with a single 0 index.
598         markIndicesSafe(IndicesVector(1, 0), SafeToUnconditionallyLoad);
599       }
600     }
601
602   // Now, iterate all uses of the argument to see if there are any uses that are
603   // not (GEP+)loads, or any (GEP+)loads that are not safe to promote.
604   SmallVector<LoadInst *, 16> Loads;
605   IndicesVector Operands;
606   for (Use &U : Arg->uses()) {
607     User *UR = U.getUser();
608     Operands.clear();
609     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UR)) {
610       // Don't hack volatile/atomic loads
611       if (!LI->isSimple())
612         return false;
613       Loads.push_back(LI);
614       // Direct loads are equivalent to a GEP with a zero index and then a load.
615       Operands.push_back(0);
616     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UR)) {
617       if (GEP->use_empty()) {
618         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
619         // them.
620         GEP->eraseFromParent();
621         // TODO: This runs the above loop over and over again for dead GEPs
622         // Couldn't we just do increment the UI iterator earlier and erase the
623         // use?
624         return isSafeToPromoteArgument(Arg, isByValOrInAlloca, AAR,
625                                        MaxElements);
626       }
627
628       // Ensure that all of the indices are constants.
629       for (User::op_iterator i = GEP->idx_begin(), e = GEP->idx_end(); i != e;
630            ++i)
631         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(*i))
632           Operands.push_back(C->getSExtValue());
633         else
634           return false; // Not a constant operand GEP!
635
636       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
637       for (User *GEPU : GEP->users())
638         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GEPU)) {
639           // Don't hack volatile/atomic loads
640           if (!LI->isSimple())
641             return false;
642           Loads.push_back(LI);
643         } else {
644           // Other uses than load?
645           return false;
646         }
647     } else {
648       return false; // Not a load or a GEP.
649     }
650
651     // Now, see if it is safe to promote this load / loads of this GEP. Loading
652     // is safe if Operands, or a prefix of Operands, is marked as safe.
653     if (!prefixIn(Operands, SafeToUnconditionallyLoad))
654       return false;
655
656     // See if we are already promoting a load with these indices. If not, check
657     // to make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
658     // to do.
659     if (ToPromote.find(Operands) == ToPromote.end()) {
660       if (MaxElements > 0 && ToPromote.size() == MaxElements) {
661         DEBUG(dbgs() << "argpromotion not promoting argument '"
662                      << Arg->getName()
663                      << "' because it would require adding more "
664                      << "than " << MaxElements
665                      << " arguments to the function.\n");
666         // We limit aggregate promotion to only promoting up to a fixed number
667         // of elements of the aggregate.
668         return false;
669       }
670       ToPromote.insert(std::move(Operands));
671     }
672   }
673
674   if (Loads.empty())
675     return true; // No users, this is a dead argument.
676
677   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions and
678   // it is safe to unconditionally perform all of them. Use alias analysis to
679   // check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
680   // the function to each of the load instructions.
681
682   // Because there could be several/many load instructions, remember which
683   // blocks we know to be transparent to the load.
684   df_iterator_default_set<BasicBlock *, 16> TranspBlocks;
685
686   for (LoadInst *Load : Loads) {
687     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
688     // the load itself.
689     BasicBlock *BB = Load->getParent();
690
691     MemoryLocation Loc = MemoryLocation::get(Load);
692     if (AAR.canInstructionRangeModRef(BB->front(), *Load, Loc, MRI_Mod))
693       return false; // Pointer is invalidated!
694
695     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
696     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
697     // loading block.
698     for (BasicBlock *P : predecessors(BB)) {
699       for (BasicBlock *TranspBB : inverse_depth_first_ext(P, TranspBlocks))
700         if (AAR.canBasicBlockModify(*TranspBB, Loc))
701           return false;
702     }
703   }
704
705   // If the path from the entry of the function to each load is free of
706   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
707   // transformation!
708   return true;
709 }
710
711 /// \brief Checks if a type could have padding bytes.
712 static bool isDenselyPacked(Type *type, const DataLayout &DL) {
713
714   // There is no size information, so be conservative.
715   if (!type->isSized())
716     return false;
717
718   // If the alloc size is not equal to the storage size, then there are padding
719   // bytes. For x86_fp80 on x86-64, size: 80 alloc size: 128.
720   if (DL.getTypeSizeInBits(type) != DL.getTypeAllocSizeInBits(type))
721     return false;
722
723   if (!isa<CompositeType>(type))
724     return true;
725
726   // For homogenous sequential types, check for padding within members.
727   if (SequentialType *seqTy = dyn_cast<SequentialType>(type))
728     return isDenselyPacked(seqTy->getElementType(), DL);
729
730   // Check for padding within and between elements of a struct.
731   StructType *StructTy = cast<StructType>(type);
732   const StructLayout *Layout = DL.getStructLayout(StructTy);
733   uint64_t StartPos = 0;
734   for (unsigned i = 0, E = StructTy->getNumElements(); i < E; ++i) {
735     Type *ElTy = StructTy->getElementType(i);
736     if (!isDenselyPacked(ElTy, DL))
737       return false;
738     if (StartPos != Layout->getElementOffsetInBits(i))
739       return false;
740     StartPos += DL.getTypeAllocSizeInBits(ElTy);
741   }
742
743   return true;
744 }
745
746 /// \brief Checks if the padding bytes of an argument could be accessed.
747 static bool canPaddingBeAccessed(Argument *arg) {
748
749   assert(arg->hasByValAttr());
750
751   // Track all the pointers to the argument to make sure they are not captured.
752   SmallPtrSet<Value *, 16> PtrValues;
753   PtrValues.insert(arg);
754
755   // Track all of the stores.
756   SmallVector<StoreInst *, 16> Stores;
757
758   // Scan through the uses recursively to make sure the pointer is always used
759   // sanely.
760   SmallVector<Value *, 16> WorkList;
761   WorkList.insert(WorkList.end(), arg->user_begin(), arg->user_end());
762   while (!WorkList.empty()) {
763     Value *V = WorkList.back();
764     WorkList.pop_back();
765     if (isa<GetElementPtrInst>(V) || isa<PHINode>(V)) {
766       if (PtrValues.insert(V).second)
767         WorkList.insert(WorkList.end(), V->user_begin(), V->user_end());
768     } else if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(V)) {
769       Stores.push_back(Store);
770     } else if (!isa<LoadInst>(V)) {
771       return true;
772     }
773   }
774
775   // Check to make sure the pointers aren't captured
776   for (StoreInst *Store : Stores)
777     if (PtrValues.count(Store->getValueOperand()))
778       return true;
779
780   return false;
781 }
782
783 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
784 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
785 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
786 /// calls the DoPromotion method.
787 ///
788 static Function *
789 promoteArguments(Function *F, function_ref<AAResults &(Function &F)> AARGetter,
790                  unsigned MaxElements,
791                  Optional<function_ref<void(CallSite OldCS, CallSite NewCS)>>
792                      ReplaceCallSite) {
793   // Make sure that it is local to this module.
794   if (!F->hasLocalLinkage())
795     return nullptr;
796
797   // Don't promote arguments for variadic functions. Adding, removing, or
798   // changing non-pack parameters can change the classification of pack
799   // parameters. Frontends encode that classification at the call site in the
800   // IR, while in the callee the classification is determined dynamically based
801   // on the number of registers consumed so far.
802   if (F->isVarArg())
803     return nullptr;
804
805   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
806   SmallVector<Argument *, 16> PointerArgs;
807   for (Argument &I : F->args())
808     if (I.getType()->isPointerTy())
809       PointerArgs.push_back(&I);
810   if (PointerArgs.empty())
811     return nullptr;
812
813   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
814   // transform functions that have indirect callers.  Also see if the function
815   // is self-recursive.
816   bool isSelfRecursive = false;
817   for (Use &U : F->uses()) {
818     CallSite CS(U.getUser());
819     // Must be a direct call.
820     if (CS.getInstruction() == nullptr || !CS.isCallee(&U))
821       return nullptr;
822
823     if (CS.getInstruction()->getParent()->getParent() == F)
824       isSelfRecursive = true;
825   }
826
827   const DataLayout &DL = F->getParent()->getDataLayout();
828
829   AAResults &AAR = AARGetter(*F);
830
831   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is promotable,
832   // add it to ArgsToPromote.
833   SmallPtrSet<Argument *, 8> ArgsToPromote;
834   SmallPtrSet<Argument *, 8> ByValArgsToTransform;
835   for (Argument *PtrArg : PointerArgs) {
836     Type *AgTy = cast<PointerType>(PtrArg->getType())->getElementType();
837
838     // Replace sret attribute with noalias. This reduces register pressure by
839     // avoiding a register copy.
840     if (PtrArg->hasStructRetAttr()) {
841       unsigned ArgNo = PtrArg->getArgNo();
842       F->removeParamAttr(ArgNo, Attribute::StructRet);
843       F->addParamAttr(ArgNo, Attribute::NoAlias);
844       for (Use &U : F->uses()) {
845         CallSite CS(U.getUser());
846         CS.removeParamAttr(ArgNo, Attribute::StructRet);
847         CS.addParamAttr(ArgNo, Attribute::NoAlias);
848       }
849     }
850
851     // If this is a byval argument, and if the aggregate type is small, just
852     // pass the elements, which is always safe, if the passed value is densely
853     // packed or if we can prove the padding bytes are never accessed. This does
854     // not apply to inalloca.
855     bool isSafeToPromote =
856         PtrArg->hasByValAttr() &&
857         (isDenselyPacked(AgTy, DL) || !canPaddingBeAccessed(PtrArg));
858     if (isSafeToPromote) {
859       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
860         if (MaxElements > 0 && STy->getNumElements() > MaxElements) {
861           DEBUG(dbgs() << "argpromotion disable promoting argument '"
862                        << PtrArg->getName()
863                        << "' because it would require adding more"
864                        << " than " << MaxElements
865                        << " arguments to the function.\n");
866           continue;
867         }
868
869         // If all the elements are single-value types, we can promote it.
870         bool AllSimple = true;
871         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
872           if (!EltTy->isSingleValueType()) {
873             AllSimple = false;
874             break;
875           }
876         }
877
878         // Safe to transform, don't even bother trying to "promote" it.
879         // Passing the elements as a scalar will allow sroa to hack on
880         // the new alloca we introduce.
881         if (AllSimple) {
882           ByValArgsToTransform.insert(PtrArg);
883           continue;
884         }
885       }
886     }
887
888     // If the argument is a recursive type and we're in a recursive
889     // function, we could end up infinitely peeling the function argument.
890     if (isSelfRecursive) {
891       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AgTy)) {
892         bool RecursiveType = false;
893         for (const auto *EltTy : STy->elements()) {
894           if (EltTy == PtrArg->getType()) {
895             RecursiveType = true;
896             break;
897           }
898         }
899         if (RecursiveType)
900           continue;
901       }
902     }
903
904     // Otherwise, see if we can promote the pointer to its value.
905     if (isSafeToPromoteArgument(PtrArg, PtrArg->hasByValOrInAllocaAttr(), AAR,
906                                 MaxElements))
907       ArgsToPromote.insert(PtrArg);
908   }
909
910   // No promotable pointer arguments.
911   if (ArgsToPromote.empty() && ByValArgsToTransform.empty())
912     return nullptr;
913
914   return doPromotion(F, ArgsToPromote, ByValArgsToTransform, ReplaceCallSite);
915 }
916
917 PreservedAnalyses ArgumentPromotionPass::run(LazyCallGraph::SCC &C,
918                                              CGSCCAnalysisManager &AM,
919                                              LazyCallGraph &CG,
920                                              CGSCCUpdateResult &UR) {
921   bool Changed = false, LocalChange;
922
923   // Iterate until we stop promoting from this SCC.
924   do {
925     LocalChange = false;
926
927     for (LazyCallGraph::Node &N : C) {
928       Function &OldF = N.getFunction();
929
930       FunctionAnalysisManager &FAM =
931           AM.getResult<FunctionAnalysisManagerCGSCCProxy>(C, CG).getManager();
932       // FIXME: This lambda must only be used with this function. We should
933       // skip the lambda and just get the AA results directly.
934       auto AARGetter = [&](Function &F) -> AAResults & {
935         assert(&F == &OldF && "Called with an unexpected function!");
936         return FAM.getResult<AAManager>(F);
937       };
938
939       Function *NewF = promoteArguments(&OldF, AARGetter, 3u, None);
940       if (!NewF)
941         continue;
942       LocalChange = true;
943
944       // Directly substitute the functions in the call graph. Note that this
945       // requires the old function to be completely dead and completely
946       // replaced by the new function. It does no call graph updates, it merely
947       // swaps out the particular function mapped to a particular node in the
948       // graph.
949       C.getOuterRefSCC().replaceNodeFunction(N, *NewF);
950       OldF.eraseFromParent();
951     }
952
953     Changed |= LocalChange;
954   } while (LocalChange);
955
956   if (!Changed)
957     return PreservedAnalyses::all();
958
959   return PreservedAnalyses::none();
960 }
961
962 namespace {
963 /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
964 ///
965 struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
966   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
967     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
968     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
969     getAAResultsAnalysisUsage(AU);
970     CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
971   }
972
973   bool runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) override;
974   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
975   explicit ArgPromotion(unsigned MaxElements = 3)
976       : CallGraphSCCPass(ID), MaxElements(MaxElements) {
977     initializeArgPromotionPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
978   }
979
980 private:
981   using llvm::Pass::doInitialization;
982   bool doInitialization(CallGraph &CG) override;
983   /// The maximum number of elements to expand, or 0 for unlimited.
984   unsigned MaxElements;
985 };
986 }
987
988 char ArgPromotion::ID = 0;
989 INITIALIZE_PASS_BEGIN(ArgPromotion, "argpromotion",
990                       "Promote 'by reference' arguments to scalars", false,
991                       false)
992 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
993 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(CallGraphWrapperPass)
994 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
995 INITIALIZE_PASS_END(ArgPromotion, "argpromotion",
996                     "Promote 'by reference' arguments to scalars", false, false)
997
998 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass(unsigned MaxElements) {
999   return new ArgPromotion(MaxElements);
1000 }
1001
1002 bool ArgPromotion::runOnSCC(CallGraphSCC &SCC) {
1003   if (skipSCC(SCC))
1004     return false;
1005
1006   // Get the callgraph information that we need to update to reflect our
1007   // changes.
1008   CallGraph &CG = getAnalysis<CallGraphWrapperPass>().getCallGraph();
1009
1010   LegacyAARGetter AARGetter(*this);
1011
1012   bool Changed = false, LocalChange;
1013
1014   // Iterate until we stop promoting from this SCC.
1015   do {
1016     LocalChange = false;
1017     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
1018     for (CallGraphNode *OldNode : SCC) {
1019       Function *OldF = OldNode->getFunction();
1020       if (!OldF)
1021         continue;
1022
1023       auto ReplaceCallSite = [&](CallSite OldCS, CallSite NewCS) {
1024         Function *Caller = OldCS.getInstruction()->getParent()->getParent();
1025         CallGraphNode *NewCalleeNode =
1026             CG.getOrInsertFunction(NewCS.getCalledFunction());
1027         CallGraphNode *CallerNode = CG[Caller];
1028         CallerNode->replaceCallEdge(OldCS, NewCS, NewCalleeNode);
1029       };
1030
1031       if (Function *NewF = promoteArguments(OldF, AARGetter, MaxElements,
1032                                             {ReplaceCallSite})) {
1033         LocalChange = true;
1034
1035         // Update the call graph for the newly promoted function.
1036         CallGraphNode *NewNode = CG.getOrInsertFunction(NewF);
1037         NewNode->stealCalledFunctionsFrom(OldNode);
1038         if (OldNode->getNumReferences() == 0)
1039           delete CG.removeFunctionFromModule(OldNode);
1040         else
1041           OldF->setLinkage(Function::ExternalLinkage);
1042
1043         // And updat ethe SCC we're iterating as well.
1044         SCC.ReplaceNode(OldNode, NewNode);
1045       }
1046     }
1047     // Remember that we changed something.
1048     Changed |= LocalChange;
1049   } while (LocalChange);
1050
1051   return Changed;
1052 }
1053
1054 bool ArgPromotion::doInitialization(CallGraph &CG) {
1055   return CallGraphSCCPass::doInitialization(CG);
1056 }