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