]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/IPO/GlobalOpt.cpp
Update llvm to release_39 branch r278877.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / IPO / GlobalOpt.cpp
1 //===- GlobalOpt.cpp - Optimize Global Variables --------------------------===//
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 transforms simple global variables that never have their address
11 // taken.  If obviously true, it marks read/write globals as constant, deletes
12 // variables only stored to, etc.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15
16 #include "llvm/Transforms/IPO/GlobalOpt.h"
17 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
18 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
19 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
20 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
21 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
22 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
23 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
24 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
25 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
26 #include "llvm/IR/CallSite.h"
27 #include "llvm/IR/CallingConv.h"
28 #include "llvm/IR/Constants.h"
29 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
30 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
31 #include "llvm/IR/Dominators.h"
32 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
33 #include "llvm/IR/Instructions.h"
34 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/IR/Module.h"
36 #include "llvm/IR/Operator.h"
37 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
38 #include "llvm/Pass.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
41 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
42 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
43 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/CtorUtils.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/Evaluator.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/GlobalStatus.h"
47 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
48 #include <algorithm>
49 using namespace llvm;
50
51 #define DEBUG_TYPE "globalopt"
52
53 STATISTIC(NumMarked    , "Number of globals marked constant");
54 STATISTIC(NumUnnamed   , "Number of globals marked unnamed_addr");
55 STATISTIC(NumSRA       , "Number of aggregate globals broken into scalars");
56 STATISTIC(NumHeapSRA   , "Number of heap objects SRA'd");
57 STATISTIC(NumSubstitute,"Number of globals with initializers stored into them");
58 STATISTIC(NumDeleted   , "Number of globals deleted");
59 STATISTIC(NumGlobUses  , "Number of global uses devirtualized");
60 STATISTIC(NumLocalized , "Number of globals localized");
61 STATISTIC(NumShrunkToBool  , "Number of global vars shrunk to booleans");
62 STATISTIC(NumFastCallFns   , "Number of functions converted to fastcc");
63 STATISTIC(NumCtorsEvaluated, "Number of static ctors evaluated");
64 STATISTIC(NumNestRemoved   , "Number of nest attributes removed");
65 STATISTIC(NumAliasesResolved, "Number of global aliases resolved");
66 STATISTIC(NumAliasesRemoved, "Number of global aliases eliminated");
67 STATISTIC(NumCXXDtorsRemoved, "Number of global C++ destructors removed");
68
69 /// Is this global variable possibly used by a leak checker as a root?  If so,
70 /// we might not really want to eliminate the stores to it.
71 static bool isLeakCheckerRoot(GlobalVariable *GV) {
72   // A global variable is a root if it is a pointer, or could plausibly contain
73   // a pointer.  There are two challenges; one is that we could have a struct
74   // the has an inner member which is a pointer.  We recurse through the type to
75   // detect these (up to a point).  The other is that we may actually be a union
76   // of a pointer and another type, and so our LLVM type is an integer which
77   // gets converted into a pointer, or our type is an [i8 x #] with a pointer
78   // potentially contained here.
79
80   if (GV->hasPrivateLinkage())
81     return false;
82
83   SmallVector<Type *, 4> Types;
84   Types.push_back(GV->getValueType());
85
86   unsigned Limit = 20;
87   do {
88     Type *Ty = Types.pop_back_val();
89     switch (Ty->getTypeID()) {
90       default: break;
91       case Type::PointerTyID: return true;
92       case Type::ArrayTyID:
93       case Type::VectorTyID: {
94         SequentialType *STy = cast<SequentialType>(Ty);
95         Types.push_back(STy->getElementType());
96         break;
97       }
98       case Type::StructTyID: {
99         StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
100         if (STy->isOpaque()) return true;
101         for (StructType::element_iterator I = STy->element_begin(),
102                  E = STy->element_end(); I != E; ++I) {
103           Type *InnerTy = *I;
104           if (isa<PointerType>(InnerTy)) return true;
105           if (isa<CompositeType>(InnerTy))
106             Types.push_back(InnerTy);
107         }
108         break;
109       }
110     }
111     if (--Limit == 0) return true;
112   } while (!Types.empty());
113   return false;
114 }
115
116 /// Given a value that is stored to a global but never read, determine whether
117 /// it's safe to remove the store and the chain of computation that feeds the
118 /// store.
119 static bool IsSafeComputationToRemove(Value *V, const TargetLibraryInfo *TLI) {
120   do {
121     if (isa<Constant>(V))
122       return true;
123     if (!V->hasOneUse())
124       return false;
125     if (isa<LoadInst>(V) || isa<InvokeInst>(V) || isa<Argument>(V) ||
126         isa<GlobalValue>(V))
127       return false;
128     if (isAllocationFn(V, TLI))
129       return true;
130
131     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
132     if (I->mayHaveSideEffects())
133       return false;
134     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
135       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
136         return false;
137     } else if (I->getNumOperands() != 1) {
138       return false;
139     }
140
141     V = I->getOperand(0);
142   } while (1);
143 }
144
145 /// This GV is a pointer root.  Loop over all users of the global and clean up
146 /// any that obviously don't assign the global a value that isn't dynamically
147 /// allocated.
148 static bool CleanupPointerRootUsers(GlobalVariable *GV,
149                                     const TargetLibraryInfo *TLI) {
150   // A brief explanation of leak checkers.  The goal is to find bugs where
151   // pointers are forgotten, causing an accumulating growth in memory
152   // usage over time.  The common strategy for leak checkers is to whitelist the
153   // memory pointed to by globals at exit.  This is popular because it also
154   // solves another problem where the main thread of a C++ program may shut down
155   // before other threads that are still expecting to use those globals.  To
156   // handle that case, we expect the program may create a singleton and never
157   // destroy it.
158
159   bool Changed = false;
160
161   // If Dead[n].first is the only use of a malloc result, we can delete its
162   // chain of computation and the store to the global in Dead[n].second.
163   SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 32> Dead;
164
165   // Constants can't be pointers to dynamically allocated memory.
166   for (Value::user_iterator UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end();
167        UI != E;) {
168     User *U = *UI++;
169     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
170       Value *V = SI->getValueOperand();
171       if (isa<Constant>(V)) {
172         Changed = true;
173         SI->eraseFromParent();
174       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
175         if (I->hasOneUse())
176           Dead.push_back(std::make_pair(I, SI));
177       }
178     } else if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(U)) {
179       if (isa<Constant>(MSI->getValue())) {
180         Changed = true;
181         MSI->eraseFromParent();
182       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MSI->getValue())) {
183         if (I->hasOneUse())
184           Dead.push_back(std::make_pair(I, MSI));
185       }
186     } else if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(U)) {
187       GlobalVariable *MemSrc = dyn_cast<GlobalVariable>(MTI->getSource());
188       if (MemSrc && MemSrc->isConstant()) {
189         Changed = true;
190         MTI->eraseFromParent();
191       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MemSrc)) {
192         if (I->hasOneUse())
193           Dead.push_back(std::make_pair(I, MTI));
194       }
195     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
196       if (CE->use_empty()) {
197         CE->destroyConstant();
198         Changed = true;
199       }
200     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
201       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
202         C->destroyConstant();
203         // This could have invalidated UI, start over from scratch.
204         Dead.clear();
205         CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
206         return true;
207       }
208     }
209   }
210
211   for (int i = 0, e = Dead.size(); i != e; ++i) {
212     if (IsSafeComputationToRemove(Dead[i].first, TLI)) {
213       Dead[i].second->eraseFromParent();
214       Instruction *I = Dead[i].first;
215       do {
216         if (isAllocationFn(I, TLI))
217           break;
218         Instruction *J = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
219         if (!J)
220           break;
221         I->eraseFromParent();
222         I = J;
223       } while (1);
224       I->eraseFromParent();
225     }
226   }
227
228   return Changed;
229 }
230
231 /// We just marked GV constant.  Loop over all users of the global, cleaning up
232 /// the obvious ones.  This is largely just a quick scan over the use list to
233 /// clean up the easy and obvious cruft.  This returns true if it made a change.
234 static bool CleanupConstantGlobalUsers(Value *V, Constant *Init,
235                                        const DataLayout &DL,
236                                        TargetLibraryInfo *TLI) {
237   bool Changed = false;
238   // Note that we need to use a weak value handle for the worklist items. When
239   // we delete a constant array, we may also be holding pointer to one of its
240   // elements (or an element of one of its elements if we're dealing with an
241   // array of arrays) in the worklist.
242   SmallVector<WeakVH, 8> WorkList(V->user_begin(), V->user_end());
243   while (!WorkList.empty()) {
244     Value *UV = WorkList.pop_back_val();
245     if (!UV)
246       continue;
247
248     User *U = cast<User>(UV);
249
250     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
251       if (Init) {
252         // Replace the load with the initializer.
253         LI->replaceAllUsesWith(Init);
254         LI->eraseFromParent();
255         Changed = true;
256       }
257     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
258       // Store must be unreachable or storing Init into the global.
259       SI->eraseFromParent();
260       Changed = true;
261     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
262       if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr) {
263         Constant *SubInit = nullptr;
264         if (Init)
265           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
266         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, SubInit, DL, TLI);
267       } else if ((CE->getOpcode() == Instruction::BitCast &&
268                   CE->getType()->isPointerTy()) ||
269                  CE->getOpcode() == Instruction::AddrSpaceCast) {
270         // Pointer cast, delete any stores and memsets to the global.
271         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, nullptr, DL, TLI);
272       }
273
274       if (CE->use_empty()) {
275         CE->destroyConstant();
276         Changed = true;
277       }
278     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
279       // Do not transform "gepinst (gep constexpr (GV))" here, because forming
280       // "gepconstexpr (gep constexpr (GV))" will cause the two gep's to fold
281       // and will invalidate our notion of what Init is.
282       Constant *SubInit = nullptr;
283       if (!isa<ConstantExpr>(GEP->getOperand(0))) {
284         ConstantExpr *CE = dyn_cast_or_null<ConstantExpr>(
285             ConstantFoldInstruction(GEP, DL, TLI));
286         if (Init && CE && CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
287           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
288
289         // If the initializer is an all-null value and we have an inbounds GEP,
290         // we already know what the result of any load from that GEP is.
291         // TODO: Handle splats.
292         if (Init && isa<ConstantAggregateZero>(Init) && GEP->isInBounds())
293           SubInit = Constant::getNullValue(GEP->getResultElementType());
294       }
295       Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(GEP, SubInit, DL, TLI);
296
297       if (GEP->use_empty()) {
298         GEP->eraseFromParent();
299         Changed = true;
300       }
301     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(U)) { // memset/cpy/mv
302       if (MI->getRawDest() == V) {
303         MI->eraseFromParent();
304         Changed = true;
305       }
306
307     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
308       // If we have a chain of dead constantexprs or other things dangling from
309       // us, and if they are all dead, nuke them without remorse.
310       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
311         C->destroyConstant();
312         CleanupConstantGlobalUsers(V, Init, DL, TLI);
313         return true;
314       }
315     }
316   }
317   return Changed;
318 }
319
320 /// Return true if the specified instruction is a safe user of a derived
321 /// expression from a global that we want to SROA.
322 static bool isSafeSROAElementUse(Value *V) {
323   // We might have a dead and dangling constant hanging off of here.
324   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
325     return isSafeToDestroyConstant(C);
326
327   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
328   if (!I) return false;
329
330   // Loads are ok.
331   if (isa<LoadInst>(I)) return true;
332
333   // Stores *to* the pointer are ok.
334   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
335     return SI->getOperand(0) != V;
336
337   // Otherwise, it must be a GEP.
338   GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I);
339   if (!GEPI) return false;
340
341   if (GEPI->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEPI->getOperand(1)) ||
342       !cast<Constant>(GEPI->getOperand(1))->isNullValue())
343     return false;
344
345   for (User *U : GEPI->users())
346     if (!isSafeSROAElementUse(U))
347       return false;
348   return true;
349 }
350
351
352 /// U is a direct user of the specified global value.  Look at it and its uses
353 /// and decide whether it is safe to SROA this global.
354 static bool IsUserOfGlobalSafeForSRA(User *U, GlobalValue *GV) {
355   // The user of the global must be a GEP Inst or a ConstantExpr GEP.
356   if (!isa<GetElementPtrInst>(U) &&
357       (!isa<ConstantExpr>(U) ||
358        cast<ConstantExpr>(U)->getOpcode() != Instruction::GetElementPtr))
359     return false;
360
361   // Check to see if this ConstantExpr GEP is SRA'able.  In particular, we
362   // don't like < 3 operand CE's, and we don't like non-constant integer
363   // indices.  This enforces that all uses are 'gep GV, 0, C, ...' for some
364   // value of C.
365   if (U->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(U->getOperand(1)) ||
366       !cast<Constant>(U->getOperand(1))->isNullValue() ||
367       !isa<ConstantInt>(U->getOperand(2)))
368     return false;
369
370   gep_type_iterator GEPI = gep_type_begin(U), E = gep_type_end(U);
371   ++GEPI;  // Skip over the pointer index.
372
373   // If this is a use of an array allocation, do a bit more checking for sanity.
374   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI)) {
375     uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
376     ConstantInt *Idx = cast<ConstantInt>(U->getOperand(2));
377
378     // Check to make sure that index falls within the array.  If not,
379     // something funny is going on, so we won't do the optimization.
380     //
381     if (Idx->getZExtValue() >= NumElements)
382       return false;
383
384     // We cannot scalar repl this level of the array unless any array
385     // sub-indices are in-range constants.  In particular, consider:
386     // A[0][i].  We cannot know that the user isn't doing invalid things like
387     // allowing i to index an out-of-range subscript that accesses A[1].
388     //
389     // Scalar replacing *just* the outer index of the array is probably not
390     // going to be a win anyway, so just give up.
391     for (++GEPI; // Skip array index.
392          GEPI != E;
393          ++GEPI) {
394       uint64_t NumElements;
395       if (ArrayType *SubArrayTy = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI))
396         NumElements = SubArrayTy->getNumElements();
397       else if (VectorType *SubVectorTy = dyn_cast<VectorType>(*GEPI))
398         NumElements = SubVectorTy->getNumElements();
399       else {
400         assert((*GEPI)->isStructTy() &&
401                "Indexed GEP type is not array, vector, or struct!");
402         continue;
403       }
404
405       ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPI.getOperand());
406       if (!IdxVal || IdxVal->getZExtValue() >= NumElements)
407         return false;
408     }
409   }
410
411   for (User *UU : U->users())
412     if (!isSafeSROAElementUse(UU))
413       return false;
414
415   return true;
416 }
417
418 /// Look at all uses of the global and decide whether it is safe for us to
419 /// perform this transformation.
420 static bool GlobalUsersSafeToSRA(GlobalValue *GV) {
421   for (User *U : GV->users())
422     if (!IsUserOfGlobalSafeForSRA(U, GV))
423       return false;
424
425   return true;
426 }
427
428
429 /// Perform scalar replacement of aggregates on the specified global variable.
430 /// This opens the door for other optimizations by exposing the behavior of the
431 /// program in a more fine-grained way.  We have determined that this
432 /// transformation is safe already.  We return the first global variable we
433 /// insert so that the caller can reprocess it.
434 static GlobalVariable *SRAGlobal(GlobalVariable *GV, const DataLayout &DL) {
435   // Make sure this global only has simple uses that we can SRA.
436   if (!GlobalUsersSafeToSRA(GV))
437     return nullptr;
438
439   assert(GV->hasLocalLinkage());
440   Constant *Init = GV->getInitializer();
441   Type *Ty = Init->getType();
442
443   std::vector<GlobalVariable*> NewGlobals;
444   Module::GlobalListType &Globals = GV->getParent()->getGlobalList();
445
446   // Get the alignment of the global, either explicit or target-specific.
447   unsigned StartAlignment = GV->getAlignment();
448   if (StartAlignment == 0)
449     StartAlignment = DL.getABITypeAlignment(GV->getType());
450
451   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
452     NewGlobals.reserve(STy->getNumElements());
453     const StructLayout &Layout = *DL.getStructLayout(STy);
454     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
455       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
456       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
457       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(i), false,
458                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
459                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
460                                                GV->getThreadLocalMode(),
461                                               GV->getType()->getAddressSpace());
462       NGV->setExternallyInitialized(GV->isExternallyInitialized());
463       NGV->copyAttributesFrom(GV);
464       Globals.push_back(NGV);
465       NewGlobals.push_back(NGV);
466
467       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
468       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
469       // propagate info to each field.
470       uint64_t FieldOffset = Layout.getElementOffset(i);
471       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, FieldOffset);
472       if (NewAlign > DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType(i)))
473         NGV->setAlignment(NewAlign);
474     }
475   } else if (SequentialType *STy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
476     unsigned NumElements = 0;
477     if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(STy))
478       NumElements = ATy->getNumElements();
479     else
480       NumElements = cast<VectorType>(STy)->getNumElements();
481
482     if (NumElements > 16 && GV->hasNUsesOrMore(16))
483       return nullptr; // It's not worth it.
484     NewGlobals.reserve(NumElements);
485
486     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSize(STy->getElementType());
487     unsigned EltAlign = DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType());
488     for (unsigned i = 0, e = NumElements; i != e; ++i) {
489       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
490       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
491
492       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(), false,
493                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
494                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
495                                                GV->getThreadLocalMode(),
496                                               GV->getType()->getAddressSpace());
497       NGV->setExternallyInitialized(GV->isExternallyInitialized());
498       NGV->copyAttributesFrom(GV);
499       Globals.push_back(NGV);
500       NewGlobals.push_back(NGV);
501
502       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
503       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
504       // propagate info to each field.
505       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, EltSize*i);
506       if (NewAlign > EltAlign)
507         NGV->setAlignment(NewAlign);
508     }
509   }
510
511   if (NewGlobals.empty())
512     return nullptr;
513
514   DEBUG(dbgs() << "PERFORMING GLOBAL SRA ON: " << *GV << "\n");
515
516   Constant *NullInt =Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(GV->getContext()));
517
518   // Loop over all of the uses of the global, replacing the constantexpr geps,
519   // with smaller constantexpr geps or direct references.
520   while (!GV->use_empty()) {
521     User *GEP = GV->user_back();
522     assert(((isa<ConstantExpr>(GEP) &&
523              cast<ConstantExpr>(GEP)->getOpcode()==Instruction::GetElementPtr)||
524             isa<GetElementPtrInst>(GEP)) && "NonGEP CE's are not SRAable!");
525
526     // Ignore the 1th operand, which has to be zero or else the program is quite
527     // broken (undefined).  Get the 2nd operand, which is the structure or array
528     // index.
529     unsigned Val = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
530     if (Val >= NewGlobals.size()) Val = 0; // Out of bound array access.
531
532     Value *NewPtr = NewGlobals[Val];
533     Type *NewTy = NewGlobals[Val]->getValueType();
534
535     // Form a shorter GEP if needed.
536     if (GEP->getNumOperands() > 3) {
537       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GEP)) {
538         SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
539         Idxs.push_back(NullInt);
540         for (unsigned i = 3, e = CE->getNumOperands(); i != e; ++i)
541           Idxs.push_back(CE->getOperand(i));
542         NewPtr =
543             ConstantExpr::getGetElementPtr(NewTy, cast<Constant>(NewPtr), Idxs);
544       } else {
545         GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(GEP);
546         SmallVector<Value*, 8> Idxs;
547         Idxs.push_back(NullInt);
548         for (unsigned i = 3, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i)
549           Idxs.push_back(GEPI->getOperand(i));
550         NewPtr = GetElementPtrInst::Create(
551             NewTy, NewPtr, Idxs, GEPI->getName() + "." + Twine(Val), GEPI);
552       }
553     }
554     GEP->replaceAllUsesWith(NewPtr);
555
556     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(GEP))
557       GEPI->eraseFromParent();
558     else
559       cast<ConstantExpr>(GEP)->destroyConstant();
560   }
561
562   // Delete the old global, now that it is dead.
563   Globals.erase(GV);
564   ++NumSRA;
565
566   // Loop over the new globals array deleting any globals that are obviously
567   // dead.  This can arise due to scalarization of a structure or an array that
568   // has elements that are dead.
569   unsigned FirstGlobal = 0;
570   for (unsigned i = 0, e = NewGlobals.size(); i != e; ++i)
571     if (NewGlobals[i]->use_empty()) {
572       Globals.erase(NewGlobals[i]);
573       if (FirstGlobal == i) ++FirstGlobal;
574     }
575
576   return FirstGlobal != NewGlobals.size() ? NewGlobals[FirstGlobal] : nullptr;
577 }
578
579 /// Return true if all users of the specified value will trap if the value is
580 /// dynamically null.  PHIs keeps track of any phi nodes we've seen to avoid
581 /// reprocessing them.
582 static bool AllUsesOfValueWillTrapIfNull(const Value *V,
583                                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &PHIs) {
584   for (const User *U : V->users())
585     if (isa<LoadInst>(U)) {
586       // Will trap.
587     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
588       if (SI->getOperand(0) == V) {
589         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
590         return false;  // Storing the value.
591       }
592     } else if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(U)) {
593       if (CI->getCalledValue() != V) {
594         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
595         return false;  // Not calling the ptr
596       }
597     } else if (const InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(U)) {
598       if (II->getCalledValue() != V) {
599         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
600         return false;  // Not calling the ptr
601       }
602     } else if (const BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
603       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(CI, PHIs)) return false;
604     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
605       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(GEPI, PHIs)) return false;
606     } else if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
607       // If we've already seen this phi node, ignore it, it has already been
608       // checked.
609       if (PHIs.insert(PN).second && !AllUsesOfValueWillTrapIfNull(PN, PHIs))
610         return false;
611     } else if (isa<ICmpInst>(U) &&
612                isa<ConstantPointerNull>(U->getOperand(1))) {
613       // Ignore icmp X, null
614     } else {
615       //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
616       return false;
617     }
618
619   return true;
620 }
621
622 /// Return true if all uses of any loads from GV will trap if the loaded value
623 /// is null.  Note that this also permits comparisons of the loaded value
624 /// against null, as a special case.
625 static bool AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(const GlobalVariable *GV) {
626   for (const User *U : GV->users())
627     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
628       SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
629       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(LI, PHIs))
630         return false;
631     } else if (isa<StoreInst>(U)) {
632       // Ignore stores to the global.
633     } else {
634       // We don't know or understand this user, bail out.
635       //cerr << "UNKNOWN USER OF GLOBAL!: " << *U;
636       return false;
637     }
638   return true;
639 }
640
641 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(Value *V, Constant *NewV) {
642   bool Changed = false;
643   for (auto UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; ) {
644     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI++);
645     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
646       LI->setOperand(0, NewV);
647       Changed = true;
648     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
649       if (SI->getOperand(1) == V) {
650         SI->setOperand(1, NewV);
651         Changed = true;
652       }
653     } else if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) {
654       CallSite CS(I);
655       if (CS.getCalledValue() == V) {
656         // Calling through the pointer!  Turn into a direct call, but be careful
657         // that the pointer is not also being passed as an argument.
658         CS.setCalledFunction(NewV);
659         Changed = true;
660         bool PassedAsArg = false;
661         for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
662           if (CS.getArgument(i) == V) {
663             PassedAsArg = true;
664             CS.setArgument(i, NewV);
665           }
666
667         if (PassedAsArg) {
668           // Being passed as an argument also.  Be careful to not invalidate UI!
669           UI = V->user_begin();
670         }
671       }
672     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(I)) {
673       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(CI,
674                                 ConstantExpr::getCast(CI->getOpcode(),
675                                                       NewV, CI->getType()));
676       if (CI->use_empty()) {
677         Changed = true;
678         CI->eraseFromParent();
679       }
680     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
681       // Should handle GEP here.
682       SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
683       Idxs.reserve(GEPI->getNumOperands()-1);
684       for (User::op_iterator i = GEPI->op_begin() + 1, e = GEPI->op_end();
685            i != e; ++i)
686         if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*i))
687           Idxs.push_back(C);
688         else
689           break;
690       if (Idxs.size() == GEPI->getNumOperands()-1)
691         Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(
692             GEPI, ConstantExpr::getGetElementPtr(nullptr, NewV, Idxs));
693       if (GEPI->use_empty()) {
694         Changed = true;
695         GEPI->eraseFromParent();
696       }
697     }
698   }
699
700   return Changed;
701 }
702
703
704 /// The specified global has only one non-null value stored into it.  If there
705 /// are uses of the loaded value that would trap if the loaded value is
706 /// dynamically null, then we know that they cannot be reachable with a null
707 /// optimize away the load.
708 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GlobalVariable *GV, Constant *LV,
709                                             const DataLayout &DL,
710                                             TargetLibraryInfo *TLI) {
711   bool Changed = false;
712
713   // Keep track of whether we are able to remove all the uses of the global
714   // other than the store that defines it.
715   bool AllNonStoreUsesGone = true;
716
717   // Replace all uses of loads with uses of uses of the stored value.
718   for (Value::user_iterator GUI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); GUI != E;){
719     User *GlobalUser = *GUI++;
720     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GlobalUser)) {
721       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(LI, LV);
722       // If we were able to delete all uses of the loads
723       if (LI->use_empty()) {
724         LI->eraseFromParent();
725         Changed = true;
726       } else {
727         AllNonStoreUsesGone = false;
728       }
729     } else if (isa<StoreInst>(GlobalUser)) {
730       // Ignore the store that stores "LV" to the global.
731       assert(GlobalUser->getOperand(1) == GV &&
732              "Must be storing *to* the global");
733     } else {
734       AllNonStoreUsesGone = false;
735
736       // If we get here we could have other crazy uses that are transitively
737       // loaded.
738       assert((isa<PHINode>(GlobalUser) || isa<SelectInst>(GlobalUser) ||
739               isa<ConstantExpr>(GlobalUser) || isa<CmpInst>(GlobalUser) ||
740               isa<BitCastInst>(GlobalUser) ||
741               isa<GetElementPtrInst>(GlobalUser)) &&
742              "Only expect load and stores!");
743     }
744   }
745
746   if (Changed) {
747     DEBUG(dbgs() << "OPTIMIZED LOADS FROM STORED ONCE POINTER: " << *GV << "\n");
748     ++NumGlobUses;
749   }
750
751   // If we nuked all of the loads, then none of the stores are needed either,
752   // nor is the global.
753   if (AllNonStoreUsesGone) {
754     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
755       Changed |= CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
756     } else {
757       Changed = true;
758       CleanupConstantGlobalUsers(GV, nullptr, DL, TLI);
759     }
760     if (GV->use_empty()) {
761       DEBUG(dbgs() << "  *** GLOBAL NOW DEAD!\n");
762       Changed = true;
763       GV->eraseFromParent();
764       ++NumDeleted;
765     }
766   }
767   return Changed;
768 }
769
770 /// Walk the use list of V, constant folding all of the instructions that are
771 /// foldable.
772 static void ConstantPropUsersOf(Value *V, const DataLayout &DL,
773                                 TargetLibraryInfo *TLI) {
774   for (Value::user_iterator UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; )
775     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(*UI++))
776       if (Constant *NewC = ConstantFoldInstruction(I, DL, TLI)) {
777         I->replaceAllUsesWith(NewC);
778
779         // Advance UI to the next non-I use to avoid invalidating it!
780         // Instructions could multiply use V.
781         while (UI != E && *UI == I)
782           ++UI;
783         if (isInstructionTriviallyDead(I, TLI))
784           I->eraseFromParent();
785       }
786 }
787
788 /// This function takes the specified global variable, and transforms the
789 /// program as if it always contained the result of the specified malloc.
790 /// Because it is always the result of the specified malloc, there is no reason
791 /// to actually DO the malloc.  Instead, turn the malloc into a global, and any
792 /// loads of GV as uses of the new global.
793 static GlobalVariable *
794 OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GlobalVariable *GV, CallInst *CI, Type *AllocTy,
795                               ConstantInt *NElements, const DataLayout &DL,
796                               TargetLibraryInfo *TLI) {
797   DEBUG(errs() << "PROMOTING GLOBAL: " << *GV << "  CALL = " << *CI << '\n');
798
799   Type *GlobalType;
800   if (NElements->getZExtValue() == 1)
801     GlobalType = AllocTy;
802   else
803     // If we have an array allocation, the global variable is of an array.
804     GlobalType = ArrayType::get(AllocTy, NElements->getZExtValue());
805
806   // Create the new global variable.  The contents of the malloc'd memory is
807   // undefined, so initialize with an undef value.
808   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(
809       *GV->getParent(), GlobalType, false, GlobalValue::InternalLinkage,
810       UndefValue::get(GlobalType), GV->getName() + ".body", nullptr,
811       GV->getThreadLocalMode());
812
813   // If there are bitcast users of the malloc (which is typical, usually we have
814   // a malloc + bitcast) then replace them with uses of the new global.  Update
815   // other users to use the global as well.
816   BitCastInst *TheBC = nullptr;
817   while (!CI->use_empty()) {
818     Instruction *User = cast<Instruction>(CI->user_back());
819     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
820       if (BCI->getType() == NewGV->getType()) {
821         BCI->replaceAllUsesWith(NewGV);
822         BCI->eraseFromParent();
823       } else {
824         BCI->setOperand(0, NewGV);
825       }
826     } else {
827       if (!TheBC)
828         TheBC = new BitCastInst(NewGV, CI->getType(), "newgv", CI);
829       User->replaceUsesOfWith(CI, TheBC);
830     }
831   }
832
833   Constant *RepValue = NewGV;
834   if (NewGV->getType() != GV->getValueType())
835     RepValue = ConstantExpr::getBitCast(RepValue, GV->getValueType());
836
837   // If there is a comparison against null, we will insert a global bool to
838   // keep track of whether the global was initialized yet or not.
839   GlobalVariable *InitBool =
840     new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()), false,
841                        GlobalValue::InternalLinkage,
842                        ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
843                        GV->getName()+".init", GV->getThreadLocalMode());
844   bool InitBoolUsed = false;
845
846   // Loop over all uses of GV, processing them in turn.
847   while (!GV->use_empty()) {
848     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GV->user_back())) {
849       // The global is initialized when the store to it occurs.
850       new StoreInst(ConstantInt::getTrue(GV->getContext()), InitBool, false, 0,
851                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
852       SI->eraseFromParent();
853       continue;
854     }
855
856     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(GV->user_back());
857     while (!LI->use_empty()) {
858       Use &LoadUse = *LI->use_begin();
859       ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUse.getUser());
860       if (!ICI) {
861         LoadUse = RepValue;
862         continue;
863       }
864
865       // Replace the cmp X, 0 with a use of the bool value.
866       // Sink the load to where the compare was, if atomic rules allow us to.
867       Value *LV = new LoadInst(InitBool, InitBool->getName()+".val", false, 0,
868                                LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(),
869                                LI->isUnordered() ? (Instruction*)ICI : LI);
870       InitBoolUsed = true;
871       switch (ICI->getPredicate()) {
872       default: llvm_unreachable("Unknown ICmp Predicate!");
873       case ICmpInst::ICMP_ULT:
874       case ICmpInst::ICMP_SLT:   // X < null -> always false
875         LV = ConstantInt::getFalse(GV->getContext());
876         break;
877       case ICmpInst::ICMP_ULE:
878       case ICmpInst::ICMP_SLE:
879       case ICmpInst::ICMP_EQ:
880         LV = BinaryOperator::CreateNot(LV, "notinit", ICI);
881         break;
882       case ICmpInst::ICMP_NE:
883       case ICmpInst::ICMP_UGE:
884       case ICmpInst::ICMP_SGE:
885       case ICmpInst::ICMP_UGT:
886       case ICmpInst::ICMP_SGT:
887         break;  // no change.
888       }
889       ICI->replaceAllUsesWith(LV);
890       ICI->eraseFromParent();
891     }
892     LI->eraseFromParent();
893   }
894
895   // If the initialization boolean was used, insert it, otherwise delete it.
896   if (!InitBoolUsed) {
897     while (!InitBool->use_empty())  // Delete initializations
898       cast<StoreInst>(InitBool->user_back())->eraseFromParent();
899     delete InitBool;
900   } else
901     GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV->getIterator(), InitBool);
902
903   // Now the GV is dead, nuke it and the malloc..
904   GV->eraseFromParent();
905   CI->eraseFromParent();
906
907   // To further other optimizations, loop over all users of NewGV and try to
908   // constant prop them.  This will promote GEP instructions with constant
909   // indices into GEP constant-exprs, which will allow global-opt to hack on it.
910   ConstantPropUsersOf(NewGV, DL, TLI);
911   if (RepValue != NewGV)
912     ConstantPropUsersOf(RepValue, DL, TLI);
913
914   return NewGV;
915 }
916
917 /// Scan the use-list of V checking to make sure that there are no complex uses
918 /// of V.  We permit simple things like dereferencing the pointer, but not
919 /// storing through the address, unless it is to the specified global.
920 static bool ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(const Instruction *V,
921                                                       const GlobalVariable *GV,
922                                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &PHIs) {
923   for (const User *U : V->users()) {
924     const Instruction *Inst = cast<Instruction>(U);
925
926     if (isa<LoadInst>(Inst) || isa<CmpInst>(Inst)) {
927       continue; // Fine, ignore.
928     }
929
930     if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
931       if (SI->getOperand(0) == V && SI->getOperand(1) != GV)
932         return false;  // Storing the pointer itself... bad.
933       continue; // Otherwise, storing through it, or storing into GV... fine.
934     }
935
936     // Must index into the array and into the struct.
937     if (isa<GetElementPtrInst>(Inst) && Inst->getNumOperands() >= 3) {
938       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(Inst, GV, PHIs))
939         return false;
940       continue;
941     }
942
943     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Inst)) {
944       // PHIs are ok if all uses are ok.  Don't infinitely recurse through PHI
945       // cycles.
946       if (PHIs.insert(PN).second)
947         if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(PN, GV, PHIs))
948           return false;
949       continue;
950     }
951
952     if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Inst)) {
953       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(BCI, GV, PHIs))
954         return false;
955       continue;
956     }
957
958     return false;
959   }
960   return true;
961 }
962
963 /// The Alloc pointer is stored into GV somewhere.  Transform all uses of the
964 /// allocation into loads from the global and uses of the resultant pointer.
965 /// Further, delete the store into GV.  This assumes that these value pass the
966 /// 'ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal' predicate.
967 static void ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(Instruction *Alloc,
968                                           GlobalVariable *GV) {
969   while (!Alloc->use_empty()) {
970     Instruction *U = cast<Instruction>(*Alloc->user_begin());
971     Instruction *InsertPt = U;
972     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
973       // If this is the store of the allocation into the global, remove it.
974       if (SI->getOperand(1) == GV) {
975         SI->eraseFromParent();
976         continue;
977       }
978     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
979       // Insert the load in the corresponding predecessor, not right before the
980       // PHI.
981       InsertPt = PN->getIncomingBlock(*Alloc->use_begin())->getTerminator();
982     } else if (isa<BitCastInst>(U)) {
983       // Must be bitcast between the malloc and store to initialize the global.
984       ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(U, GV);
985       U->eraseFromParent();
986       continue;
987     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
988       // If this is a "GEP bitcast" and the user is a store to the global, then
989       // just process it as a bitcast.
990       if (GEPI->hasAllZeroIndices() && GEPI->hasOneUse())
991         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GEPI->user_back()))
992           if (SI->getOperand(1) == GV) {
993             // Must be bitcast GEP between the malloc and store to initialize
994             // the global.
995             ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(GEPI, GV);
996             GEPI->eraseFromParent();
997             continue;
998           }
999     }
1000
1001     // Insert a load from the global, and use it instead of the malloc.
1002     Value *NL = new LoadInst(GV, GV->getName()+".val", InsertPt);
1003     U->replaceUsesOfWith(Alloc, NL);
1004   }
1005 }
1006
1007 /// Verify that all uses of V (a load, or a phi of a load) are simple enough to
1008 /// perform heap SRA on.  This permits GEP's that index through the array and
1009 /// struct field, icmps of null, and PHIs.
1010 static bool LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const Value *V,
1011                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &LoadUsingPHIs,
1012                         SmallPtrSetImpl<const PHINode*> &LoadUsingPHIsPerLoad) {
1013   // We permit two users of the load: setcc comparing against the null
1014   // pointer, and a getelementptr of a specific form.
1015   for (const User *U : V->users()) {
1016     const Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
1017
1018     // Comparison against null is ok.
1019     if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UI)) {
1020       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
1021         return false;
1022       continue;
1023     }
1024
1025     // getelementptr is also ok, but only a simple form.
1026     if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
1027       // Must index into the array and into the struct.
1028       if (GEPI->getNumOperands() < 3)
1029         return false;
1030
1031       // Otherwise the GEP is ok.
1032       continue;
1033     }
1034
1035     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
1036       if (!LoadUsingPHIsPerLoad.insert(PN).second)
1037         // This means some phi nodes are dependent on each other.
1038         // Avoid infinite looping!
1039         return false;
1040       if (!LoadUsingPHIs.insert(PN).second)
1041         // If we have already analyzed this PHI, then it is safe.
1042         continue;
1043
1044       // Make sure all uses of the PHI are simple enough to transform.
1045       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(PN,
1046                                           LoadUsingPHIs, LoadUsingPHIsPerLoad))
1047         return false;
1048
1049       continue;
1050     }
1051
1052     // Otherwise we don't know what this is, not ok.
1053     return false;
1054   }
1055
1056   return true;
1057 }
1058
1059
1060 /// If all users of values loaded from GV are simple enough to perform HeapSRA,
1061 /// return true.
1062 static bool AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const GlobalVariable *GV,
1063                                                     Instruction *StoredVal) {
1064   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIs;
1065   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIsPerLoad;
1066   for (const User *U : GV->users())
1067     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1068       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(LI, LoadUsingPHIs,
1069                                           LoadUsingPHIsPerLoad))
1070         return false;
1071       LoadUsingPHIsPerLoad.clear();
1072     }
1073
1074   // If we reach here, we know that all uses of the loads and transitive uses
1075   // (through PHI nodes) are simple enough to transform.  However, we don't know
1076   // that all inputs the to the PHI nodes are in the same equivalence sets.
1077   // Check to verify that all operands of the PHIs are either PHIS that can be
1078   // transformed, loads from GV, or MI itself.
1079   for (const PHINode *PN : LoadUsingPHIs) {
1080     for (unsigned op = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); op != e; ++op) {
1081       Value *InVal = PN->getIncomingValue(op);
1082
1083       // PHI of the stored value itself is ok.
1084       if (InVal == StoredVal) continue;
1085
1086       if (const PHINode *InPN = dyn_cast<PHINode>(InVal)) {
1087         // One of the PHIs in our set is (optimistically) ok.
1088         if (LoadUsingPHIs.count(InPN))
1089           continue;
1090         return false;
1091       }
1092
1093       // Load from GV is ok.
1094       if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(InVal))
1095         if (LI->getOperand(0) == GV)
1096           continue;
1097
1098       // UNDEF? NULL?
1099
1100       // Anything else is rejected.
1101       return false;
1102     }
1103   }
1104
1105   return true;
1106 }
1107
1108 static Value *GetHeapSROAValue(Value *V, unsigned FieldNo,
1109                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1110                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1111   std::vector<Value*> &FieldVals = InsertedScalarizedValues[V];
1112
1113   if (FieldNo >= FieldVals.size())
1114     FieldVals.resize(FieldNo+1);
1115
1116   // If we already have this value, just reuse the previously scalarized
1117   // version.
1118   if (Value *FieldVal = FieldVals[FieldNo])
1119     return FieldVal;
1120
1121   // Depending on what instruction this is, we have several cases.
1122   Value *Result;
1123   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(V)) {
1124     // This is a scalarized version of the load from the global.  Just create
1125     // a new Load of the scalarized global.
1126     Result = new LoadInst(GetHeapSROAValue(LI->getOperand(0), FieldNo,
1127                                            InsertedScalarizedValues,
1128                                            PHIsToRewrite),
1129                           LI->getName()+".f"+Twine(FieldNo), LI);
1130   } else {
1131     PHINode *PN = cast<PHINode>(V);
1132     // PN's type is pointer to struct.  Make a new PHI of pointer to struct
1133     // field.
1134
1135     PointerType *PTy = cast<PointerType>(PN->getType());
1136     StructType *ST = cast<StructType>(PTy->getElementType());
1137
1138     unsigned AS = PTy->getAddressSpace();
1139     PHINode *NewPN =
1140       PHINode::Create(PointerType::get(ST->getElementType(FieldNo), AS),
1141                      PN->getNumIncomingValues(),
1142                      PN->getName()+".f"+Twine(FieldNo), PN);
1143     Result = NewPN;
1144     PHIsToRewrite.push_back(std::make_pair(PN, FieldNo));
1145   }
1146
1147   return FieldVals[FieldNo] = Result;
1148 }
1149
1150 /// Given a load instruction and a value derived from the load, rewrite the
1151 /// derived value to use the HeapSRoA'd load.
1152 static void RewriteHeapSROALoadUser(Instruction *LoadUser,
1153              DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1154                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1155   // If this is a comparison against null, handle it.
1156   if (ICmpInst *SCI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUser)) {
1157     assert(isa<ConstantPointerNull>(SCI->getOperand(1)));
1158     // If we have a setcc of the loaded pointer, we can use a setcc of any
1159     // field.
1160     Value *NPtr = GetHeapSROAValue(SCI->getOperand(0), 0,
1161                                    InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1162
1163     Value *New = new ICmpInst(SCI, SCI->getPredicate(), NPtr,
1164                               Constant::getNullValue(NPtr->getType()),
1165                               SCI->getName());
1166     SCI->replaceAllUsesWith(New);
1167     SCI->eraseFromParent();
1168     return;
1169   }
1170
1171   // Handle 'getelementptr Ptr, Idx, i32 FieldNo ...'
1172   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LoadUser)) {
1173     assert(GEPI->getNumOperands() >= 3 && isa<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))
1174            && "Unexpected GEPI!");
1175
1176     // Load the pointer for this field.
1177     unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue();
1178     Value *NewPtr = GetHeapSROAValue(GEPI->getOperand(0), FieldNo,
1179                                      InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1180
1181     // Create the new GEP idx vector.
1182     SmallVector<Value*, 8> GEPIdx;
1183     GEPIdx.push_back(GEPI->getOperand(1));
1184     GEPIdx.append(GEPI->op_begin()+3, GEPI->op_end());
1185
1186     Value *NGEPI = GetElementPtrInst::Create(GEPI->getResultElementType(), NewPtr, GEPIdx,
1187                                              GEPI->getName(), GEPI);
1188     GEPI->replaceAllUsesWith(NGEPI);
1189     GEPI->eraseFromParent();
1190     return;
1191   }
1192
1193   // Recursively transform the users of PHI nodes.  This will lazily create the
1194   // PHIs that are needed for individual elements.  Keep track of what PHIs we
1195   // see in InsertedScalarizedValues so that we don't get infinite loops (very
1196   // antisocial).  If the PHI is already in InsertedScalarizedValues, it has
1197   // already been seen first by another load, so its uses have already been
1198   // processed.
1199   PHINode *PN = cast<PHINode>(LoadUser);
1200   if (!InsertedScalarizedValues.insert(std::make_pair(PN,
1201                                               std::vector<Value*>())).second)
1202     return;
1203
1204   // If this is the first time we've seen this PHI, recursively process all
1205   // users.
1206   for (auto UI = PN->user_begin(), E = PN->user_end(); UI != E;) {
1207     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1208     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1209   }
1210 }
1211
1212 /// We are performing Heap SRoA on a global.  Ptr is a value loaded from the
1213 /// global.  Eliminate all uses of Ptr, making them use FieldGlobals instead.
1214 /// All uses of loaded values satisfy AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA.
1215 static void RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LoadInst *Load,
1216                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1217                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1218   for (auto UI = Load->user_begin(), E = Load->user_end(); UI != E;) {
1219     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1220     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1221   }
1222
1223   if (Load->use_empty()) {
1224     Load->eraseFromParent();
1225     InsertedScalarizedValues.erase(Load);
1226   }
1227 }
1228
1229 /// CI is an allocation of an array of structures.  Break it up into multiple
1230 /// allocations of arrays of the fields.
1231 static GlobalVariable *PerformHeapAllocSRoA(GlobalVariable *GV, CallInst *CI,
1232                                             Value *NElems, const DataLayout &DL,
1233                                             const TargetLibraryInfo *TLI) {
1234   DEBUG(dbgs() << "SROA HEAP ALLOC: " << *GV << "  MALLOC = " << *CI << '\n');
1235   Type *MAT = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1236   StructType *STy = cast<StructType>(MAT);
1237
1238   // There is guaranteed to be at least one use of the malloc (storing
1239   // it into GV).  If there are other uses, change them to be uses of
1240   // the global to simplify later code.  This also deletes the store
1241   // into GV.
1242   ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(CI, GV);
1243
1244   // Okay, at this point, there are no users of the malloc.  Insert N
1245   // new mallocs at the same place as CI, and N globals.
1246   std::vector<Value*> FieldGlobals;
1247   std::vector<Value*> FieldMallocs;
1248
1249   SmallVector<OperandBundleDef, 1> OpBundles;
1250   CI->getOperandBundlesAsDefs(OpBundles);
1251
1252   unsigned AS = GV->getType()->getPointerAddressSpace();
1253   for (unsigned FieldNo = 0, e = STy->getNumElements(); FieldNo != e;++FieldNo){
1254     Type *FieldTy = STy->getElementType(FieldNo);
1255     PointerType *PFieldTy = PointerType::get(FieldTy, AS);
1256
1257     GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(
1258         *GV->getParent(), PFieldTy, false, GlobalValue::InternalLinkage,
1259         Constant::getNullValue(PFieldTy), GV->getName() + ".f" + Twine(FieldNo),
1260         nullptr, GV->getThreadLocalMode());
1261     NGV->copyAttributesFrom(GV);
1262     FieldGlobals.push_back(NGV);
1263
1264     unsigned TypeSize = DL.getTypeAllocSize(FieldTy);
1265     if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(FieldTy))
1266       TypeSize = DL.getStructLayout(ST)->getSizeInBytes();
1267     Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(CI->getType());
1268     Value *NMI = CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, FieldTy,
1269                                         ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize),
1270                                         NElems, OpBundles, nullptr,
1271                                         CI->getName() + ".f" + Twine(FieldNo));
1272     FieldMallocs.push_back(NMI);
1273     new StoreInst(NMI, NGV, CI);
1274   }
1275
1276   // The tricky aspect of this transformation is handling the case when malloc
1277   // fails.  In the original code, malloc failing would set the result pointer
1278   // of malloc to null.  In this case, some mallocs could succeed and others
1279   // could fail.  As such, we emit code that looks like this:
1280   //    F0 = malloc(field0)
1281   //    F1 = malloc(field1)
1282   //    F2 = malloc(field2)
1283   //    if (F0 == 0 || F1 == 0 || F2 == 0) {
1284   //      if (F0) { free(F0); F0 = 0; }
1285   //      if (F1) { free(F1); F1 = 0; }
1286   //      if (F2) { free(F2); F2 = 0; }
1287   //    }
1288   // The malloc can also fail if its argument is too large.
1289   Constant *ConstantZero = ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 0);
1290   Value *RunningOr = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_SLT, CI->getArgOperand(0),
1291                                   ConstantZero, "isneg");
1292   for (unsigned i = 0, e = FieldMallocs.size(); i != e; ++i) {
1293     Value *Cond = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_EQ, FieldMallocs[i],
1294                              Constant::getNullValue(FieldMallocs[i]->getType()),
1295                                "isnull");
1296     RunningOr = BinaryOperator::CreateOr(RunningOr, Cond, "tmp", CI);
1297   }
1298
1299   // Split the basic block at the old malloc.
1300   BasicBlock *OrigBB = CI->getParent();
1301   BasicBlock *ContBB =
1302       OrigBB->splitBasicBlock(CI->getIterator(), "malloc_cont");
1303
1304   // Create the block to check the first condition.  Put all these blocks at the
1305   // end of the function as they are unlikely to be executed.
1306   BasicBlock *NullPtrBlock = BasicBlock::Create(OrigBB->getContext(),
1307                                                 "malloc_ret_null",
1308                                                 OrigBB->getParent());
1309
1310   // Remove the uncond branch from OrigBB to ContBB, turning it into a cond
1311   // branch on RunningOr.
1312   OrigBB->getTerminator()->eraseFromParent();
1313   BranchInst::Create(NullPtrBlock, ContBB, RunningOr, OrigBB);
1314
1315   // Within the NullPtrBlock, we need to emit a comparison and branch for each
1316   // pointer, because some may be null while others are not.
1317   for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1318     Value *GVVal = new LoadInst(FieldGlobals[i], "tmp", NullPtrBlock);
1319     Value *Cmp = new ICmpInst(*NullPtrBlock, ICmpInst::ICMP_NE, GVVal,
1320                               Constant::getNullValue(GVVal->getType()));
1321     BasicBlock *FreeBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "free_it",
1322                                                OrigBB->getParent());
1323     BasicBlock *NextBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "next",
1324                                                OrigBB->getParent());
1325     Instruction *BI = BranchInst::Create(FreeBlock, NextBlock,
1326                                          Cmp, NullPtrBlock);
1327
1328     // Fill in FreeBlock.
1329     CallInst::CreateFree(GVVal, OpBundles, BI);
1330     new StoreInst(Constant::getNullValue(GVVal->getType()), FieldGlobals[i],
1331                   FreeBlock);
1332     BranchInst::Create(NextBlock, FreeBlock);
1333
1334     NullPtrBlock = NextBlock;
1335   }
1336
1337   BranchInst::Create(ContBB, NullPtrBlock);
1338
1339   // CI is no longer needed, remove it.
1340   CI->eraseFromParent();
1341
1342   /// As we process loads, if we can't immediately update all uses of the load,
1343   /// keep track of what scalarized loads are inserted for a given load.
1344   DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > InsertedScalarizedValues;
1345   InsertedScalarizedValues[GV] = FieldGlobals;
1346
1347   std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > PHIsToRewrite;
1348
1349   // Okay, the malloc site is completely handled.  All of the uses of GV are now
1350   // loads, and all uses of those loads are simple.  Rewrite them to use loads
1351   // of the per-field globals instead.
1352   for (auto UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); UI != E;) {
1353     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1354
1355     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1356       RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LI, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1357       continue;
1358     }
1359
1360     // Must be a store of null.
1361     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(User);
1362     assert(isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)) &&
1363            "Unexpected heap-sra user!");
1364
1365     // Insert a store of null into each global.
1366     for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1367       Type *ValTy = cast<GlobalValue>(FieldGlobals[i])->getValueType();
1368       Constant *Null = Constant::getNullValue(ValTy);
1369       new StoreInst(Null, FieldGlobals[i], SI);
1370     }
1371     // Erase the original store.
1372     SI->eraseFromParent();
1373   }
1374
1375   // While we have PHIs that are interesting to rewrite, do it.
1376   while (!PHIsToRewrite.empty()) {
1377     PHINode *PN = PHIsToRewrite.back().first;
1378     unsigned FieldNo = PHIsToRewrite.back().second;
1379     PHIsToRewrite.pop_back();
1380     PHINode *FieldPN = cast<PHINode>(InsertedScalarizedValues[PN][FieldNo]);
1381     assert(FieldPN->getNumIncomingValues() == 0 &&"Already processed this phi");
1382
1383     // Add all the incoming values.  This can materialize more phis.
1384     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1385       Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1386       InVal = GetHeapSROAValue(InVal, FieldNo, InsertedScalarizedValues,
1387                                PHIsToRewrite);
1388       FieldPN->addIncoming(InVal, PN->getIncomingBlock(i));
1389     }
1390   }
1391
1392   // Drop all inter-phi links and any loads that made it this far.
1393   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1394        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1395        I != E; ++I) {
1396     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1397       PN->dropAllReferences();
1398     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1399       LI->dropAllReferences();
1400   }
1401
1402   // Delete all the phis and loads now that inter-references are dead.
1403   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1404        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1405        I != E; ++I) {
1406     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1407       PN->eraseFromParent();
1408     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1409       LI->eraseFromParent();
1410   }
1411
1412   // The old global is now dead, remove it.
1413   GV->eraseFromParent();
1414
1415   ++NumHeapSRA;
1416   return cast<GlobalVariable>(FieldGlobals[0]);
1417 }
1418
1419 /// This function is called when we see a pointer global variable with a single
1420 /// value stored it that is a malloc or cast of malloc.
1421 static bool tryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GlobalVariable *GV, CallInst *CI,
1422                                                Type *AllocTy,
1423                                                AtomicOrdering Ordering,
1424                                                const DataLayout &DL,
1425                                                TargetLibraryInfo *TLI) {
1426   // If this is a malloc of an abstract type, don't touch it.
1427   if (!AllocTy->isSized())
1428     return false;
1429
1430   // We can't optimize this global unless all uses of it are *known* to be
1431   // of the malloc value, not of the null initializer value (consider a use
1432   // that compares the global's value against zero to see if the malloc has
1433   // been reached).  To do this, we check to see if all uses of the global
1434   // would trap if the global were null: this proves that they must all
1435   // happen after the malloc.
1436   if (!AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(GV))
1437     return false;
1438
1439   // We can't optimize this if the malloc itself is used in a complex way,
1440   // for example, being stored into multiple globals.  This allows the
1441   // malloc to be stored into the specified global, loaded icmp'd, and
1442   // GEP'd.  These are all things we could transform to using the global
1443   // for.
1444   SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
1445   if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(CI, GV, PHIs))
1446     return false;
1447
1448   // If we have a global that is only initialized with a fixed size malloc,
1449   // transform the program to use global memory instead of malloc'd memory.
1450   // This eliminates dynamic allocation, avoids an indirection accessing the
1451   // data, and exposes the resultant global to further GlobalOpt.
1452   // We cannot optimize the malloc if we cannot determine malloc array size.
1453   Value *NElems = getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true);
1454   if (!NElems)
1455     return false;
1456
1457   if (ConstantInt *NElements = dyn_cast<ConstantInt>(NElems))
1458     // Restrict this transformation to only working on small allocations
1459     // (2048 bytes currently), as we don't want to introduce a 16M global or
1460     // something.
1461     if (NElements->getZExtValue() * DL.getTypeAllocSize(AllocTy) < 2048) {
1462       OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GV, CI, AllocTy, NElements, DL, TLI);
1463       return true;
1464     }
1465
1466   // If the allocation is an array of structures, consider transforming this
1467   // into multiple malloc'd arrays, one for each field.  This is basically
1468   // SRoA for malloc'd memory.
1469
1470   if (Ordering != AtomicOrdering::NotAtomic)
1471     return false;
1472
1473   // If this is an allocation of a fixed size array of structs, analyze as a
1474   // variable size array.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1475   if (NElems == ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 1))
1476     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(AllocTy))
1477       AllocTy = AT->getElementType();
1478
1479   StructType *AllocSTy = dyn_cast<StructType>(AllocTy);
1480   if (!AllocSTy)
1481     return false;
1482
1483   // This the structure has an unreasonable number of fields, leave it
1484   // alone.
1485   if (AllocSTy->getNumElements() <= 16 && AllocSTy->getNumElements() != 0 &&
1486       AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(GV, CI)) {
1487
1488     // If this is a fixed size array, transform the Malloc to be an alloc of
1489     // structs.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1490     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(getMallocAllocatedType(CI, TLI))) {
1491       Type *IntPtrTy = DL.getIntPtrType(CI->getType());
1492       unsigned TypeSize = DL.getStructLayout(AllocSTy)->getSizeInBytes();
1493       Value *AllocSize = ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize);
1494       Value *NumElements = ConstantInt::get(IntPtrTy, AT->getNumElements());
1495       SmallVector<OperandBundleDef, 1> OpBundles;
1496       CI->getOperandBundlesAsDefs(OpBundles);
1497       Instruction *Malloc =
1498           CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, AllocSTy, AllocSize, NumElements,
1499                                  OpBundles, nullptr, CI->getName());
1500       Instruction *Cast = new BitCastInst(Malloc, CI->getType(), "tmp", CI);
1501       CI->replaceAllUsesWith(Cast);
1502       CI->eraseFromParent();
1503       if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Malloc))
1504         CI = cast<CallInst>(BCI->getOperand(0));
1505       else
1506         CI = cast<CallInst>(Malloc);
1507     }
1508
1509     PerformHeapAllocSRoA(GV, CI, getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true), DL,
1510                          TLI);
1511     return true;
1512   }
1513
1514   return false;
1515 }
1516
1517 // Try to optimize globals based on the knowledge that only one value (besides
1518 // its initializer) is ever stored to the global.
1519 static bool optimizeOnceStoredGlobal(GlobalVariable *GV, Value *StoredOnceVal,
1520                                      AtomicOrdering Ordering,
1521                                      const DataLayout &DL,
1522                                      TargetLibraryInfo *TLI) {
1523   // Ignore no-op GEPs and bitcasts.
1524   StoredOnceVal = StoredOnceVal->stripPointerCasts();
1525
1526   // If we are dealing with a pointer global that is initialized to null and
1527   // only has one (non-null) value stored into it, then we can optimize any
1528   // users of the loaded value (often calls and loads) that would trap if the
1529   // value was null.
1530   if (GV->getInitializer()->getType()->isPointerTy() &&
1531       GV->getInitializer()->isNullValue()) {
1532     if (Constant *SOVC = dyn_cast<Constant>(StoredOnceVal)) {
1533       if (GV->getInitializer()->getType() != SOVC->getType())
1534         SOVC = ConstantExpr::getBitCast(SOVC, GV->getInitializer()->getType());
1535
1536       // Optimize away any trapping uses of the loaded value.
1537       if (OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GV, SOVC, DL, TLI))
1538         return true;
1539     } else if (CallInst *CI = extractMallocCall(StoredOnceVal, TLI)) {
1540       Type *MallocType = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1541       if (MallocType && tryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GV, CI, MallocType,
1542                                                            Ordering, DL, TLI))
1543         return true;
1544     }
1545   }
1546
1547   return false;
1548 }
1549
1550 /// At this point, we have learned that the only two values ever stored into GV
1551 /// are its initializer and OtherVal.  See if we can shrink the global into a
1552 /// boolean and select between the two values whenever it is used.  This exposes
1553 /// the values to other scalar optimizations.
1554 static bool TryToShrinkGlobalToBoolean(GlobalVariable *GV, Constant *OtherVal) {
1555   Type *GVElType = GV->getValueType();
1556
1557   // If GVElType is already i1, it is already shrunk.  If the type of the GV is
1558   // an FP value, pointer or vector, don't do this optimization because a select
1559   // between them is very expensive and unlikely to lead to later
1560   // simplification.  In these cases, we typically end up with "cond ? v1 : v2"
1561   // where v1 and v2 both require constant pool loads, a big loss.
1562   if (GVElType == Type::getInt1Ty(GV->getContext()) ||
1563       GVElType->isFloatingPointTy() ||
1564       GVElType->isPointerTy() || GVElType->isVectorTy())
1565     return false;
1566
1567   // Walk the use list of the global seeing if all the uses are load or store.
1568   // If there is anything else, bail out.
1569   for (User *U : GV->users())
1570     if (!isa<LoadInst>(U) && !isa<StoreInst>(U))
1571       return false;
1572
1573   DEBUG(dbgs() << "   *** SHRINKING TO BOOL: " << *GV << "\n");
1574
1575   // Create the new global, initializing it to false.
1576   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1577                                              false,
1578                                              GlobalValue::InternalLinkage,
1579                                         ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
1580                                              GV->getName()+".b",
1581                                              GV->getThreadLocalMode(),
1582                                              GV->getType()->getAddressSpace());
1583   NewGV->copyAttributesFrom(GV);
1584   GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV->getIterator(), NewGV);
1585
1586   Constant *InitVal = GV->getInitializer();
1587   assert(InitVal->getType() != Type::getInt1Ty(GV->getContext()) &&
1588          "No reason to shrink to bool!");
1589
1590   // If initialized to zero and storing one into the global, we can use a cast
1591   // instead of a select to synthesize the desired value.
1592   bool IsOneZero = false;
1593   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(OtherVal))
1594     IsOneZero = InitVal->isNullValue() && CI->isOne();
1595
1596   while (!GV->use_empty()) {
1597     Instruction *UI = cast<Instruction>(GV->user_back());
1598     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
1599       // Change the store into a boolean store.
1600       bool StoringOther = SI->getOperand(0) == OtherVal;
1601       // Only do this if we weren't storing a loaded value.
1602       Value *StoreVal;
1603       if (StoringOther || SI->getOperand(0) == InitVal) {
1604         StoreVal = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1605                                     StoringOther);
1606       } else {
1607         // Otherwise, we are storing a previously loaded copy.  To do this,
1608         // change the copy from copying the original value to just copying the
1609         // bool.
1610         Instruction *StoredVal = cast<Instruction>(SI->getOperand(0));
1611
1612         // If we've already replaced the input, StoredVal will be a cast or
1613         // select instruction.  If not, it will be a load of the original
1614         // global.
1615         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
1616           assert(LI->getOperand(0) == GV && "Not a copy!");
1617           // Insert a new load, to preserve the saved value.
1618           StoreVal = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1619                                   LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1620         } else {
1621           assert((isa<CastInst>(StoredVal) || isa<SelectInst>(StoredVal)) &&
1622                  "This is not a form that we understand!");
1623           StoreVal = StoredVal->getOperand(0);
1624           assert(isa<LoadInst>(StoreVal) && "Not a load of NewGV!");
1625         }
1626       }
1627       new StoreInst(StoreVal, NewGV, false, 0,
1628                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
1629     } else {
1630       // Change the load into a load of bool then a select.
1631       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UI);
1632       LoadInst *NLI = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1633                                    LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1634       Value *NSI;
1635       if (IsOneZero)
1636         NSI = new ZExtInst(NLI, LI->getType(), "", LI);
1637       else
1638         NSI = SelectInst::Create(NLI, OtherVal, InitVal, "", LI);
1639       NSI->takeName(LI);
1640       LI->replaceAllUsesWith(NSI);
1641     }
1642     UI->eraseFromParent();
1643   }
1644
1645   // Retain the name of the old global variable. People who are debugging their
1646   // programs may expect these variables to be named the same.
1647   NewGV->takeName(GV);
1648   GV->eraseFromParent();
1649   return true;
1650 }
1651
1652 static bool deleteIfDead(GlobalValue &GV,
1653                          SmallSet<const Comdat *, 8> &NotDiscardableComdats) {
1654   GV.removeDeadConstantUsers();
1655
1656   if (!GV.isDiscardableIfUnused())
1657     return false;
1658
1659   if (const Comdat *C = GV.getComdat())
1660     if (!GV.hasLocalLinkage() && NotDiscardableComdats.count(C))
1661       return false;
1662
1663   bool Dead;
1664   if (auto *F = dyn_cast<Function>(&GV))
1665     Dead = F->isDefTriviallyDead();
1666   else
1667     Dead = GV.use_empty();
1668   if (!Dead)
1669     return false;
1670
1671   DEBUG(dbgs() << "GLOBAL DEAD: " << GV << "\n");
1672   GV.eraseFromParent();
1673   ++NumDeleted;
1674   return true;
1675 }
1676
1677 static bool isPointerValueDeadOnEntryToFunction(
1678     const Function *F, GlobalValue *GV,
1679     function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree) {
1680   // Find all uses of GV. We expect them all to be in F, and if we can't
1681   // identify any of the uses we bail out.
1682   //
1683   // On each of these uses, identify if the memory that GV points to is
1684   // used/required/live at the start of the function. If it is not, for example
1685   // if the first thing the function does is store to the GV, the GV can
1686   // possibly be demoted.
1687   //
1688   // We don't do an exhaustive search for memory operations - simply look
1689   // through bitcasts as they're quite common and benign.
1690   const DataLayout &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1691   SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
1692   SmallVector<StoreInst *, 4> Stores;
1693   for (auto *U : GV->users()) {
1694     if (Operator::getOpcode(U) == Instruction::BitCast) {
1695       for (auto *UU : U->users()) {
1696         if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(UU))
1697           Loads.push_back(LI);
1698         else if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(UU))
1699           Stores.push_back(SI);
1700         else
1701           return false;
1702       }
1703       continue;
1704     }
1705
1706     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U);
1707     if (!I)
1708       return false;
1709     assert(I->getParent()->getParent() == F);
1710
1711     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1712       Loads.push_back(LI);
1713     else if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
1714       Stores.push_back(SI);
1715     else
1716       return false;
1717   }
1718
1719   // We have identified all uses of GV into loads and stores. Now check if all
1720   // of them are known not to depend on the value of the global at the function
1721   // entry point. We do this by ensuring that every load is dominated by at
1722   // least one store.
1723   auto &DT = LookupDomTree(*const_cast<Function *>(F));
1724
1725   // The below check is quadratic. Check we're not going to do too many tests.
1726   // FIXME: Even though this will always have worst-case quadratic time, we
1727   // could put effort into minimizing the average time by putting stores that
1728   // have been shown to dominate at least one load at the beginning of the
1729   // Stores array, making subsequent dominance checks more likely to succeed
1730   // early.
1731   //
1732   // The threshold here is fairly large because global->local demotion is a
1733   // very powerful optimization should it fire.
1734   const unsigned Threshold = 100;
1735   if (Loads.size() * Stores.size() > Threshold)
1736     return false;
1737
1738   for (auto *L : Loads) {
1739     auto *LTy = L->getType();
1740     if (!std::any_of(Stores.begin(), Stores.end(), [&](StoreInst *S) {
1741           auto *STy = S->getValueOperand()->getType();
1742           // The load is only dominated by the store if DomTree says so
1743           // and the number of bits loaded in L is less than or equal to
1744           // the number of bits stored in S.
1745           return DT.dominates(S, L) &&
1746                  DL.getTypeStoreSize(LTy) <= DL.getTypeStoreSize(STy);
1747         }))
1748       return false;
1749   }
1750   // All loads have known dependences inside F, so the global can be localized.
1751   return true;
1752 }
1753
1754 /// C may have non-instruction users. Can all of those users be turned into
1755 /// instructions?
1756 static bool allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions(Constant *C) {
1757   // We don't do this exhaustively. The most common pattern that we really need
1758   // to care about is a constant GEP or constant bitcast - so just looking
1759   // through one single ConstantExpr.
1760   //
1761   // The set of constants that this function returns true for must be able to be
1762   // handled by makeAllConstantUsesInstructions.
1763   for (auto *U : C->users()) {
1764     if (isa<Instruction>(U))
1765       continue;
1766     if (!isa<ConstantExpr>(U))
1767       // Non instruction, non-constantexpr user; cannot convert this.
1768       return false;
1769     for (auto *UU : U->users())
1770       if (!isa<Instruction>(UU))
1771         // A constantexpr used by another constant. We don't try and recurse any
1772         // further but just bail out at this point.
1773         return false;
1774   }
1775
1776   return true;
1777 }
1778
1779 /// C may have non-instruction users, and
1780 /// allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions has returned true. Convert the
1781 /// non-instruction users to instructions.
1782 static void makeAllConstantUsesInstructions(Constant *C) {
1783   SmallVector<ConstantExpr*,4> Users;
1784   for (auto *U : C->users()) {
1785     if (isa<ConstantExpr>(U))
1786       Users.push_back(cast<ConstantExpr>(U));
1787     else
1788       // We should never get here; allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions
1789       // should not have returned true for C.
1790       assert(
1791           isa<Instruction>(U) &&
1792           "Can't transform non-constantexpr non-instruction to instruction!");
1793   }
1794
1795   SmallVector<Value*,4> UUsers;
1796   for (auto *U : Users) {
1797     UUsers.clear();
1798     for (auto *UU : U->users())
1799       UUsers.push_back(UU);
1800     for (auto *UU : UUsers) {
1801       Instruction *UI = cast<Instruction>(UU);
1802       Instruction *NewU = U->getAsInstruction();
1803       NewU->insertBefore(UI);
1804       UI->replaceUsesOfWith(U, NewU);
1805     }
1806     U->dropAllReferences();
1807   }
1808 }
1809
1810 /// Analyze the specified global variable and optimize
1811 /// it if possible.  If we make a change, return true.
1812 static bool processInternalGlobal(
1813     GlobalVariable *GV, const GlobalStatus &GS, TargetLibraryInfo *TLI,
1814     function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree) {
1815   auto &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1816   // If this is a first class global and has only one accessing function and
1817   // this function is non-recursive, we replace the global with a local alloca
1818   // in this function.
1819   //
1820   // NOTE: It doesn't make sense to promote non-single-value types since we
1821   // are just replacing static memory to stack memory.
1822   //
1823   // If the global is in different address space, don't bring it to stack.
1824   if (!GS.HasMultipleAccessingFunctions &&
1825       GS.AccessingFunction &&
1826       GV->getValueType()->isSingleValueType() &&
1827       GV->getType()->getAddressSpace() == 0 &&
1828       !GV->isExternallyInitialized() &&
1829       allNonInstructionUsersCanBeMadeInstructions(GV) &&
1830       GS.AccessingFunction->doesNotRecurse() &&
1831       isPointerValueDeadOnEntryToFunction(GS.AccessingFunction, GV,
1832                                           LookupDomTree)) {
1833     DEBUG(dbgs() << "LOCALIZING GLOBAL: " << *GV << "\n");
1834     Instruction &FirstI = const_cast<Instruction&>(*GS.AccessingFunction
1835                                                    ->getEntryBlock().begin());
1836     Type *ElemTy = GV->getValueType();
1837     // FIXME: Pass Global's alignment when globals have alignment
1838     AllocaInst *Alloca = new AllocaInst(ElemTy, nullptr,
1839                                         GV->getName(), &FirstI);
1840     if (!isa<UndefValue>(GV->getInitializer()))
1841       new StoreInst(GV->getInitializer(), Alloca, &FirstI);
1842
1843     makeAllConstantUsesInstructions(GV);
1844
1845     GV->replaceAllUsesWith(Alloca);
1846     GV->eraseFromParent();
1847     ++NumLocalized;
1848     return true;
1849   }
1850
1851   // If the global is never loaded (but may be stored to), it is dead.
1852   // Delete it now.
1853   if (!GS.IsLoaded) {
1854     DEBUG(dbgs() << "GLOBAL NEVER LOADED: " << *GV << "\n");
1855
1856     bool Changed;
1857     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
1858       // Delete any constant stores to the global.
1859       Changed = CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
1860     } else {
1861       // Delete any stores we can find to the global.  We may not be able to
1862       // make it completely dead though.
1863       Changed = CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1864     }
1865
1866     // If the global is dead now, delete it.
1867     if (GV->use_empty()) {
1868       GV->eraseFromParent();
1869       ++NumDeleted;
1870       Changed = true;
1871     }
1872     return Changed;
1873
1874   }
1875   if (GS.StoredType <= GlobalStatus::InitializerStored) {
1876     DEBUG(dbgs() << "MARKING CONSTANT: " << *GV << "\n");
1877     GV->setConstant(true);
1878
1879     // Clean up any obviously simplifiable users now.
1880     CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1881
1882     // If the global is dead now, just nuke it.
1883     if (GV->use_empty()) {
1884       DEBUG(dbgs() << "   *** Marking constant allowed us to simplify "
1885             << "all users and delete global!\n");
1886       GV->eraseFromParent();
1887       ++NumDeleted;
1888       return true;
1889     }
1890
1891     // Fall through to the next check; see if we can optimize further.
1892     ++NumMarked;
1893   }
1894   if (!GV->getInitializer()->getType()->isSingleValueType()) {
1895     const DataLayout &DL = GV->getParent()->getDataLayout();
1896     if (SRAGlobal(GV, DL))
1897       return true;
1898   }
1899   if (GS.StoredType == GlobalStatus::StoredOnce && GS.StoredOnceValue) {
1900     // If the initial value for the global was an undef value, and if only
1901     // one other value was stored into it, we can just change the
1902     // initializer to be the stored value, then delete all stores to the
1903     // global.  This allows us to mark it constant.
1904     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue))
1905       if (isa<UndefValue>(GV->getInitializer())) {
1906         // Change the initial value here.
1907         GV->setInitializer(SOVConstant);
1908
1909         // Clean up any obviously simplifiable users now.
1910         CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1911
1912         if (GV->use_empty()) {
1913           DEBUG(dbgs() << "   *** Substituting initializer allowed us to "
1914                        << "simplify all users and delete global!\n");
1915           GV->eraseFromParent();
1916           ++NumDeleted;
1917         }
1918         ++NumSubstitute;
1919         return true;
1920       }
1921
1922     // Try to optimize globals based on the knowledge that only one value
1923     // (besides its initializer) is ever stored to the global.
1924     if (optimizeOnceStoredGlobal(GV, GS.StoredOnceValue, GS.Ordering, DL, TLI))
1925       return true;
1926
1927     // Otherwise, if the global was not a boolean, we can shrink it to be a
1928     // boolean.
1929     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue)) {
1930       if (GS.Ordering == AtomicOrdering::NotAtomic) {
1931         if (TryToShrinkGlobalToBoolean(GV, SOVConstant)) {
1932           ++NumShrunkToBool;
1933           return true;
1934         }
1935       }
1936     }
1937   }
1938
1939   return false;
1940 }
1941
1942 /// Analyze the specified global variable and optimize it if possible.  If we
1943 /// make a change, return true.
1944 static bool
1945 processGlobal(GlobalValue &GV, TargetLibraryInfo *TLI,
1946               function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree) {
1947   if (GV.getName().startswith("llvm."))
1948     return false;
1949
1950   GlobalStatus GS;
1951
1952   if (GlobalStatus::analyzeGlobal(&GV, GS))
1953     return false;
1954
1955   bool Changed = false;
1956   if (!GS.IsCompared && !GV.hasGlobalUnnamedAddr()) {
1957     auto NewUnnamedAddr = GV.hasLocalLinkage() ? GlobalValue::UnnamedAddr::Global
1958                                                : GlobalValue::UnnamedAddr::Local;
1959     if (NewUnnamedAddr != GV.getUnnamedAddr()) {
1960       GV.setUnnamedAddr(NewUnnamedAddr);
1961       NumUnnamed++;
1962       Changed = true;
1963     }
1964   }
1965
1966   // Do more involved optimizations if the global is internal.
1967   if (!GV.hasLocalLinkage())
1968     return Changed;
1969
1970   auto *GVar = dyn_cast<GlobalVariable>(&GV);
1971   if (!GVar)
1972     return Changed;
1973
1974   if (GVar->isConstant() || !GVar->hasInitializer())
1975     return Changed;
1976
1977   return processInternalGlobal(GVar, GS, TLI, LookupDomTree) || Changed;
1978 }
1979
1980 /// Walk all of the direct calls of the specified function, changing them to
1981 /// FastCC.
1982 static void ChangeCalleesToFastCall(Function *F) {
1983   for (User *U : F->users()) {
1984     if (isa<BlockAddress>(U))
1985       continue;
1986     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
1987     CS.setCallingConv(CallingConv::Fast);
1988   }
1989 }
1990
1991 static AttributeSet StripNest(LLVMContext &C, const AttributeSet &Attrs) {
1992   for (unsigned i = 0, e = Attrs.getNumSlots(); i != e; ++i) {
1993     unsigned Index = Attrs.getSlotIndex(i);
1994     if (!Attrs.getSlotAttributes(i).hasAttribute(Index, Attribute::Nest))
1995       continue;
1996
1997     // There can be only one.
1998     return Attrs.removeAttribute(C, Index, Attribute::Nest);
1999   }
2000
2001   return Attrs;
2002 }
2003
2004 static void RemoveNestAttribute(Function *F) {
2005   F->setAttributes(StripNest(F->getContext(), F->getAttributes()));
2006   for (User *U : F->users()) {
2007     if (isa<BlockAddress>(U))
2008       continue;
2009     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
2010     CS.setAttributes(StripNest(F->getContext(), CS.getAttributes()));
2011   }
2012 }
2013
2014 /// Return true if this is a calling convention that we'd like to change.  The
2015 /// idea here is that we don't want to mess with the convention if the user
2016 /// explicitly requested something with performance implications like coldcc,
2017 /// GHC, or anyregcc.
2018 static bool isProfitableToMakeFastCC(Function *F) {
2019   CallingConv::ID CC = F->getCallingConv();
2020   // FIXME: Is it worth transforming x86_stdcallcc and x86_fastcallcc?
2021   return CC == CallingConv::C || CC == CallingConv::X86_ThisCall;
2022 }
2023
2024 static bool
2025 OptimizeFunctions(Module &M, TargetLibraryInfo *TLI,
2026                   function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree,
2027                   SmallSet<const Comdat *, 8> &NotDiscardableComdats) {
2028   bool Changed = false;
2029   // Optimize functions.
2030   for (Module::iterator FI = M.begin(), E = M.end(); FI != E; ) {
2031     Function *F = &*FI++;
2032     // Functions without names cannot be referenced outside this module.
2033     if (!F->hasName() && !F->isDeclaration() && !F->hasLocalLinkage())
2034       F->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2035
2036     if (deleteIfDead(*F, NotDiscardableComdats)) {
2037       Changed = true;
2038       continue;
2039     }
2040
2041     Changed |= processGlobal(*F, TLI, LookupDomTree);
2042
2043     if (!F->hasLocalLinkage())
2044       continue;
2045     if (isProfitableToMakeFastCC(F) && !F->isVarArg() &&
2046         !F->hasAddressTaken()) {
2047       // If this function has a calling convention worth changing, is not a
2048       // varargs function, and is only called directly, promote it to use the
2049       // Fast calling convention.
2050       F->setCallingConv(CallingConv::Fast);
2051       ChangeCalleesToFastCall(F);
2052       ++NumFastCallFns;
2053       Changed = true;
2054     }
2055
2056     if (F->getAttributes().hasAttrSomewhere(Attribute::Nest) &&
2057         !F->hasAddressTaken()) {
2058       // The function is not used by a trampoline intrinsic, so it is safe
2059       // to remove the 'nest' attribute.
2060       RemoveNestAttribute(F);
2061       ++NumNestRemoved;
2062       Changed = true;
2063     }
2064   }
2065   return Changed;
2066 }
2067
2068 static bool
2069 OptimizeGlobalVars(Module &M, TargetLibraryInfo *TLI,
2070                    function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree,
2071                    SmallSet<const Comdat *, 8> &NotDiscardableComdats) {
2072   bool Changed = false;
2073
2074   for (Module::global_iterator GVI = M.global_begin(), E = M.global_end();
2075        GVI != E; ) {
2076     GlobalVariable *GV = &*GVI++;
2077     // Global variables without names cannot be referenced outside this module.
2078     if (!GV->hasName() && !GV->isDeclaration() && !GV->hasLocalLinkage())
2079       GV->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2080     // Simplify the initializer.
2081     if (GV->hasInitializer())
2082       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GV->getInitializer())) {
2083         auto &DL = M.getDataLayout();
2084         Constant *New = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2085         if (New && New != CE)
2086           GV->setInitializer(New);
2087       }
2088
2089     if (deleteIfDead(*GV, NotDiscardableComdats)) {
2090       Changed = true;
2091       continue;
2092     }
2093
2094     Changed |= processGlobal(*GV, TLI, LookupDomTree);
2095   }
2096   return Changed;
2097 }
2098
2099 /// Evaluate a piece of a constantexpr store into a global initializer.  This
2100 /// returns 'Init' modified to reflect 'Val' stored into it.  At this point, the
2101 /// GEP operands of Addr [0, OpNo) have been stepped into.
2102 static Constant *EvaluateStoreInto(Constant *Init, Constant *Val,
2103                                    ConstantExpr *Addr, unsigned OpNo) {
2104   // Base case of the recursion.
2105   if (OpNo == Addr->getNumOperands()) {
2106     assert(Val->getType() == Init->getType() && "Type mismatch!");
2107     return Val;
2108   }
2109
2110   SmallVector<Constant*, 32> Elts;
2111   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2112     // Break up the constant into its elements.
2113     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i)
2114       Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2115
2116     // Replace the element that we are supposed to.
2117     ConstantInt *CU = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2118     unsigned Idx = CU->getZExtValue();
2119     assert(Idx < STy->getNumElements() && "Struct index out of range!");
2120     Elts[Idx] = EvaluateStoreInto(Elts[Idx], Val, Addr, OpNo+1);
2121
2122     // Return the modified struct.
2123     return ConstantStruct::get(STy, Elts);
2124   }
2125
2126   ConstantInt *CI = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2127   SequentialType *InitTy = cast<SequentialType>(Init->getType());
2128
2129   uint64_t NumElts;
2130   if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(InitTy))
2131     NumElts = ATy->getNumElements();
2132   else
2133     NumElts = InitTy->getVectorNumElements();
2134
2135   // Break up the array into elements.
2136   for (uint64_t i = 0, e = NumElts; i != e; ++i)
2137     Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2138
2139   assert(CI->getZExtValue() < NumElts);
2140   Elts[CI->getZExtValue()] =
2141     EvaluateStoreInto(Elts[CI->getZExtValue()], Val, Addr, OpNo+1);
2142
2143   if (Init->getType()->isArrayTy())
2144     return ConstantArray::get(cast<ArrayType>(InitTy), Elts);
2145   return ConstantVector::get(Elts);
2146 }
2147
2148 /// We have decided that Addr (which satisfies the predicate
2149 /// isSimpleEnoughPointerToCommit) should get Val as its value.  Make it happen.
2150 static void CommitValueTo(Constant *Val, Constant *Addr) {
2151   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(Addr)) {
2152     assert(GV->hasInitializer());
2153     GV->setInitializer(Val);
2154     return;
2155   }
2156
2157   ConstantExpr *CE = cast<ConstantExpr>(Addr);
2158   GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2159   GV->setInitializer(EvaluateStoreInto(GV->getInitializer(), Val, CE, 2));
2160 }
2161
2162 /// Evaluate static constructors in the function, if we can.  Return true if we
2163 /// can, false otherwise.
2164 static bool EvaluateStaticConstructor(Function *F, const DataLayout &DL,
2165                                       TargetLibraryInfo *TLI) {
2166   // Call the function.
2167   Evaluator Eval(DL, TLI);
2168   Constant *RetValDummy;
2169   bool EvalSuccess = Eval.EvaluateFunction(F, RetValDummy,
2170                                            SmallVector<Constant*, 0>());
2171
2172   if (EvalSuccess) {
2173     ++NumCtorsEvaluated;
2174
2175     // We succeeded at evaluation: commit the result.
2176     DEBUG(dbgs() << "FULLY EVALUATED GLOBAL CTOR FUNCTION '"
2177           << F->getName() << "' to " << Eval.getMutatedMemory().size()
2178           << " stores.\n");
2179     for (const auto &I : Eval.getMutatedMemory())
2180       CommitValueTo(I.second, I.first);
2181     for (GlobalVariable *GV : Eval.getInvariants())
2182       GV->setConstant(true);
2183   }
2184
2185   return EvalSuccess;
2186 }
2187
2188 static int compareNames(Constant *const *A, Constant *const *B) {
2189   Value *AStripped = (*A)->stripPointerCastsNoFollowAliases();
2190   Value *BStripped = (*B)->stripPointerCastsNoFollowAliases();
2191   return AStripped->getName().compare(BStripped->getName());
2192 }
2193
2194 static void setUsedInitializer(GlobalVariable &V,
2195                                const SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> &Init) {
2196   if (Init.empty()) {
2197     V.eraseFromParent();
2198     return;
2199   }
2200
2201   // Type of pointer to the array of pointers.
2202   PointerType *Int8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(V.getContext(), 0);
2203
2204   SmallVector<llvm::Constant *, 8> UsedArray;
2205   for (GlobalValue *GV : Init) {
2206     Constant *Cast
2207       = ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(GV, Int8PtrTy);
2208     UsedArray.push_back(Cast);
2209   }
2210   // Sort to get deterministic order.
2211   array_pod_sort(UsedArray.begin(), UsedArray.end(), compareNames);
2212   ArrayType *ATy = ArrayType::get(Int8PtrTy, UsedArray.size());
2213
2214   Module *M = V.getParent();
2215   V.removeFromParent();
2216   GlobalVariable *NV =
2217       new GlobalVariable(*M, ATy, false, llvm::GlobalValue::AppendingLinkage,
2218                          llvm::ConstantArray::get(ATy, UsedArray), "");
2219   NV->takeName(&V);
2220   NV->setSection("llvm.metadata");
2221   delete &V;
2222 }
2223
2224 namespace {
2225 /// An easy to access representation of llvm.used and llvm.compiler.used.
2226 class LLVMUsed {
2227   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> Used;
2228   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> CompilerUsed;
2229   GlobalVariable *UsedV;
2230   GlobalVariable *CompilerUsedV;
2231
2232 public:
2233   LLVMUsed(Module &M) {
2234     UsedV = collectUsedGlobalVariables(M, Used, false);
2235     CompilerUsedV = collectUsedGlobalVariables(M, CompilerUsed, true);
2236   }
2237   typedef SmallPtrSet<GlobalValue *, 8>::iterator iterator;
2238   typedef iterator_range<iterator> used_iterator_range;
2239   iterator usedBegin() { return Used.begin(); }
2240   iterator usedEnd() { return Used.end(); }
2241   used_iterator_range used() {
2242     return used_iterator_range(usedBegin(), usedEnd());
2243   }
2244   iterator compilerUsedBegin() { return CompilerUsed.begin(); }
2245   iterator compilerUsedEnd() { return CompilerUsed.end(); }
2246   used_iterator_range compilerUsed() {
2247     return used_iterator_range(compilerUsedBegin(), compilerUsedEnd());
2248   }
2249   bool usedCount(GlobalValue *GV) const { return Used.count(GV); }
2250   bool compilerUsedCount(GlobalValue *GV) const {
2251     return CompilerUsed.count(GV);
2252   }
2253   bool usedErase(GlobalValue *GV) { return Used.erase(GV); }
2254   bool compilerUsedErase(GlobalValue *GV) { return CompilerUsed.erase(GV); }
2255   bool usedInsert(GlobalValue *GV) { return Used.insert(GV).second; }
2256   bool compilerUsedInsert(GlobalValue *GV) {
2257     return CompilerUsed.insert(GV).second;
2258   }
2259
2260   void syncVariablesAndSets() {
2261     if (UsedV)
2262       setUsedInitializer(*UsedV, Used);
2263     if (CompilerUsedV)
2264       setUsedInitializer(*CompilerUsedV, CompilerUsed);
2265   }
2266 };
2267 }
2268
2269 static bool hasUseOtherThanLLVMUsed(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2270   if (GA.use_empty()) // No use at all.
2271     return false;
2272
2273   assert((!U.usedCount(&GA) || !U.compilerUsedCount(&GA)) &&
2274          "We should have removed the duplicated "
2275          "element from llvm.compiler.used");
2276   if (!GA.hasOneUse())
2277     // Strictly more than one use. So at least one is not in llvm.used and
2278     // llvm.compiler.used.
2279     return true;
2280
2281   // Exactly one use. Check if it is in llvm.used or llvm.compiler.used.
2282   return !U.usedCount(&GA) && !U.compilerUsedCount(&GA);
2283 }
2284
2285 static bool hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(GlobalValue &V,
2286                                                const LLVMUsed &U) {
2287   unsigned N = 2;
2288   assert((!U.usedCount(&V) || !U.compilerUsedCount(&V)) &&
2289          "We should have removed the duplicated "
2290          "element from llvm.compiler.used");
2291   if (U.usedCount(&V) || U.compilerUsedCount(&V))
2292     ++N;
2293   return V.hasNUsesOrMore(N);
2294 }
2295
2296 static bool mayHaveOtherReferences(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2297   if (!GA.hasLocalLinkage())
2298     return true;
2299
2300   return U.usedCount(&GA) || U.compilerUsedCount(&GA);
2301 }
2302
2303 static bool hasUsesToReplace(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U,
2304                              bool &RenameTarget) {
2305   RenameTarget = false;
2306   bool Ret = false;
2307   if (hasUseOtherThanLLVMUsed(GA, U))
2308     Ret = true;
2309
2310   // If the alias is externally visible, we may still be able to simplify it.
2311   if (!mayHaveOtherReferences(GA, U))
2312     return Ret;
2313
2314   // If the aliasee has internal linkage, give it the name and linkage
2315   // of the alias, and delete the alias.  This turns:
2316   //   define internal ... @f(...)
2317   //   @a = alias ... @f
2318   // into:
2319   //   define ... @a(...)
2320   Constant *Aliasee = GA.getAliasee();
2321   GlobalValue *Target = cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2322   if (!Target->hasLocalLinkage())
2323     return Ret;
2324
2325   // Do not perform the transform if multiple aliases potentially target the
2326   // aliasee. This check also ensures that it is safe to replace the section
2327   // and other attributes of the aliasee with those of the alias.
2328   if (hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(*Target, U))
2329     return Ret;
2330
2331   RenameTarget = true;
2332   return true;
2333 }
2334
2335 static bool
2336 OptimizeGlobalAliases(Module &M,
2337                       SmallSet<const Comdat *, 8> &NotDiscardableComdats) {
2338   bool Changed = false;
2339   LLVMUsed Used(M);
2340
2341   for (GlobalValue *GV : Used.used())
2342     Used.compilerUsedErase(GV);
2343
2344   for (Module::alias_iterator I = M.alias_begin(), E = M.alias_end();
2345        I != E;) {
2346     GlobalAlias *J = &*I++;
2347
2348     // Aliases without names cannot be referenced outside this module.
2349     if (!J->hasName() && !J->isDeclaration() && !J->hasLocalLinkage())
2350       J->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2351
2352     if (deleteIfDead(*J, NotDiscardableComdats)) {
2353       Changed = true;
2354       continue;
2355     }
2356
2357     // If the aliasee may change at link time, nothing can be done - bail out.
2358     if (J->isInterposable())
2359       continue;
2360
2361     Constant *Aliasee = J->getAliasee();
2362     GlobalValue *Target = dyn_cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2363     // We can't trivially replace the alias with the aliasee if the aliasee is
2364     // non-trivial in some way.
2365     // TODO: Try to handle non-zero GEPs of local aliasees.
2366     if (!Target)
2367       continue;
2368     Target->removeDeadConstantUsers();
2369
2370     // Make all users of the alias use the aliasee instead.
2371     bool RenameTarget;
2372     if (!hasUsesToReplace(*J, Used, RenameTarget))
2373       continue;
2374
2375     J->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(Aliasee, J->getType()));
2376     ++NumAliasesResolved;
2377     Changed = true;
2378
2379     if (RenameTarget) {
2380       // Give the aliasee the name, linkage and other attributes of the alias.
2381       Target->takeName(&*J);
2382       Target->setLinkage(J->getLinkage());
2383       Target->setVisibility(J->getVisibility());
2384       Target->setDLLStorageClass(J->getDLLStorageClass());
2385
2386       if (Used.usedErase(&*J))
2387         Used.usedInsert(Target);
2388
2389       if (Used.compilerUsedErase(&*J))
2390         Used.compilerUsedInsert(Target);
2391     } else if (mayHaveOtherReferences(*J, Used))
2392       continue;
2393
2394     // Delete the alias.
2395     M.getAliasList().erase(J);
2396     ++NumAliasesRemoved;
2397     Changed = true;
2398   }
2399
2400   Used.syncVariablesAndSets();
2401
2402   return Changed;
2403 }
2404
2405 static Function *FindCXAAtExit(Module &M, TargetLibraryInfo *TLI) {
2406   LibFunc::Func F = LibFunc::cxa_atexit;
2407   if (!TLI->has(F))
2408     return nullptr;
2409
2410   Function *Fn = M.getFunction(TLI->getName(F));
2411   if (!Fn)
2412     return nullptr;
2413
2414   // Make sure that the function has the correct prototype.
2415   if (!TLI->getLibFunc(*Fn, F) || F != LibFunc::cxa_atexit)
2416     return nullptr;
2417
2418   return Fn;
2419 }
2420
2421 /// Returns whether the given function is an empty C++ destructor and can
2422 /// therefore be eliminated.
2423 /// Note that we assume that other optimization passes have already simplified
2424 /// the code so we only look for a function with a single basic block, where
2425 /// the only allowed instructions are 'ret', 'call' to an empty C++ dtor and
2426 /// other side-effect free instructions.
2427 static bool cxxDtorIsEmpty(const Function &Fn,
2428                            SmallPtrSet<const Function *, 8> &CalledFunctions) {
2429   // FIXME: We could eliminate C++ destructors if they're readonly/readnone and
2430   // nounwind, but that doesn't seem worth doing.
2431   if (Fn.isDeclaration())
2432     return false;
2433
2434   if (++Fn.begin() != Fn.end())
2435     return false;
2436
2437   const BasicBlock &EntryBlock = Fn.getEntryBlock();
2438   for (BasicBlock::const_iterator I = EntryBlock.begin(), E = EntryBlock.end();
2439        I != E; ++I) {
2440     if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
2441       // Ignore debug intrinsics.
2442       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(CI))
2443         continue;
2444
2445       const Function *CalledFn = CI->getCalledFunction();
2446
2447       if (!CalledFn)
2448         return false;
2449
2450       SmallPtrSet<const Function *, 8> NewCalledFunctions(CalledFunctions);
2451
2452       // Don't treat recursive functions as empty.
2453       if (!NewCalledFunctions.insert(CalledFn).second)
2454         return false;
2455
2456       if (!cxxDtorIsEmpty(*CalledFn, NewCalledFunctions))
2457         return false;
2458     } else if (isa<ReturnInst>(*I))
2459       return true; // We're done.
2460     else if (I->mayHaveSideEffects())
2461       return false; // Destructor with side effects, bail.
2462   }
2463
2464   return false;
2465 }
2466
2467 static bool OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(Function *CXAAtExitFn) {
2468   /// Itanium C++ ABI p3.3.5:
2469   ///
2470   ///   After constructing a global (or local static) object, that will require
2471   ///   destruction on exit, a termination function is registered as follows:
2472   ///
2473   ///   extern "C" int __cxa_atexit ( void (*f)(void *), void *p, void *d );
2474   ///
2475   ///   This registration, e.g. __cxa_atexit(f,p,d), is intended to cause the
2476   ///   call f(p) when DSO d is unloaded, before all such termination calls
2477   ///   registered before this one. It returns zero if registration is
2478   ///   successful, nonzero on failure.
2479
2480   // This pass will look for calls to __cxa_atexit where the function is trivial
2481   // and remove them.
2482   bool Changed = false;
2483
2484   for (auto I = CXAAtExitFn->user_begin(), E = CXAAtExitFn->user_end();
2485        I != E;) {
2486     // We're only interested in calls. Theoretically, we could handle invoke
2487     // instructions as well, but neither llvm-gcc nor clang generate invokes
2488     // to __cxa_atexit.
2489     CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(*I++);
2490     if (!CI)
2491       continue;
2492
2493     Function *DtorFn =
2494       dyn_cast<Function>(CI->getArgOperand(0)->stripPointerCasts());
2495     if (!DtorFn)
2496       continue;
2497
2498     SmallPtrSet<const Function *, 8> CalledFunctions;
2499     if (!cxxDtorIsEmpty(*DtorFn, CalledFunctions))
2500       continue;
2501
2502     // Just remove the call.
2503     CI->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(CI->getType()));
2504     CI->eraseFromParent();
2505
2506     ++NumCXXDtorsRemoved;
2507
2508     Changed |= true;
2509   }
2510
2511   return Changed;
2512 }
2513
2514 static bool optimizeGlobalsInModule(
2515     Module &M, const DataLayout &DL, TargetLibraryInfo *TLI,
2516     function_ref<DominatorTree &(Function &)> LookupDomTree) {
2517   SmallSet<const Comdat *, 8> NotDiscardableComdats;
2518   bool Changed = false;
2519   bool LocalChange = true;
2520   while (LocalChange) {
2521     LocalChange = false;
2522
2523     NotDiscardableComdats.clear();
2524     for (const GlobalVariable &GV : M.globals())
2525       if (const Comdat *C = GV.getComdat())
2526         if (!GV.isDiscardableIfUnused() || !GV.use_empty())
2527           NotDiscardableComdats.insert(C);
2528     for (Function &F : M)
2529       if (const Comdat *C = F.getComdat())
2530         if (!F.isDefTriviallyDead())
2531           NotDiscardableComdats.insert(C);
2532     for (GlobalAlias &GA : M.aliases())
2533       if (const Comdat *C = GA.getComdat())
2534         if (!GA.isDiscardableIfUnused() || !GA.use_empty())
2535           NotDiscardableComdats.insert(C);
2536
2537     // Delete functions that are trivially dead, ccc -> fastcc
2538     LocalChange |=
2539         OptimizeFunctions(M, TLI, LookupDomTree, NotDiscardableComdats);
2540
2541     // Optimize global_ctors list.
2542     LocalChange |= optimizeGlobalCtorsList(M, [&](Function *F) {
2543       return EvaluateStaticConstructor(F, DL, TLI);
2544     });
2545
2546     // Optimize non-address-taken globals.
2547     LocalChange |= OptimizeGlobalVars(M, TLI, LookupDomTree,
2548                                       NotDiscardableComdats);
2549
2550     // Resolve aliases, when possible.
2551     LocalChange |= OptimizeGlobalAliases(M, NotDiscardableComdats);
2552
2553     // Try to remove trivial global destructors if they are not removed
2554     // already.
2555     Function *CXAAtExitFn = FindCXAAtExit(M, TLI);
2556     if (CXAAtExitFn)
2557       LocalChange |= OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(CXAAtExitFn);
2558
2559     Changed |= LocalChange;
2560   }
2561
2562   // TODO: Move all global ctors functions to the end of the module for code
2563   // layout.
2564
2565   return Changed;
2566 }
2567
2568 PreservedAnalyses GlobalOptPass::run(Module &M, AnalysisManager<Module> &AM) {
2569     auto &DL = M.getDataLayout();
2570     auto &TLI = AM.getResult<TargetLibraryAnalysis>(M);
2571     auto &FAM =
2572         AM.getResult<FunctionAnalysisManagerModuleProxy>(M).getManager();
2573     auto LookupDomTree = [&FAM](Function &F) -> DominatorTree &{
2574       return FAM.getResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
2575     };
2576     if (!optimizeGlobalsInModule(M, DL, &TLI, LookupDomTree))
2577       return PreservedAnalyses::all();
2578     return PreservedAnalyses::none();
2579 }
2580
2581 namespace {
2582 struct GlobalOptLegacyPass : public ModulePass {
2583   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2584   GlobalOptLegacyPass() : ModulePass(ID) {
2585     initializeGlobalOptLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2586   }
2587
2588   bool runOnModule(Module &M) override {
2589     if (skipModule(M))
2590       return false;
2591
2592     auto &DL = M.getDataLayout();
2593     auto *TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
2594     auto LookupDomTree = [this](Function &F) -> DominatorTree & {
2595       return this->getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>(F).getDomTree();
2596     };
2597     return optimizeGlobalsInModule(M, DL, TLI, LookupDomTree);
2598   }
2599
2600   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2601     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
2602     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
2603   }
2604 };
2605 }
2606
2607 char GlobalOptLegacyPass::ID = 0;
2608 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalOptLegacyPass, "globalopt",
2609                       "Global Variable Optimizer", false, false)
2610 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
2611 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
2612 INITIALIZE_PASS_END(GlobalOptLegacyPass, "globalopt",
2613                     "Global Variable Optimizer", false, false)
2614
2615 ModulePass *llvm::createGlobalOptimizerPass() {
2616   return new GlobalOptLegacyPass();
2617 }