]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm-project/llvm/lib/Transforms/Scalar/TailRecursionElimination.cpp
ZFS: MFV 2.0-rc1-ga00c61
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm-project / llvm / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
2 //
3 // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
4 // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
5 // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
6 //
7 //===----------------------------------------------------------------------===//
8 //
9 // This file transforms calls of the current function (self recursion) followed
10 // by a return instruction with a branch to the entry of the function, creating
11 // a loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
12 // algorithm:
13 //
14 //  1. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
15 //     transformation from taking place, though currently the analysis cannot
16 //     support moving any really useful instructions (only dead ones).
17 //  2. This pass transforms functions that are prevented from being tail
18 //     recursive by an associative and commutative expression to use an
19 //     accumulator variable, thus compiling the typical naive factorial or
20 //     'fib' implementation into efficient code.
21 //  3. TRE is performed if the function returns void, if the return
22 //     returns the result returned by the call, or if the function returns a
23 //     run-time constant on all exits from the function.  It is possible, though
24 //     unlikely, that the return returns something else (like constant 0), and
25 //     can still be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in
26 //     the function return the exact same value.
27 //  4. If it can prove that callees do not access their caller stack frame,
28 //     they are marked as eligible for tail call elimination (by the code
29 //     generator).
30 //
31 // There are several improvements that could be made:
32 //
33 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
34 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
35 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
36 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
37 //     function does not read or write the stack object.
38 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately precedes the
39 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
40 //     the call and the return.
41 //  3. There can be intervening operations between the call and the return that
42 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
43 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
44 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
45 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
46 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
47 //  4. The algorithm we use to detect if callees access their caller stack
48 //     frames is very primitive.
49 //
50 //===----------------------------------------------------------------------===//
51
52 #include "llvm/Transforms/Scalar/TailRecursionElimination.h"
53 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
54 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
55 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
56 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
57 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
58 #include "llvm/Analysis/DomTreeUpdater.h"
59 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
60 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
61 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
62 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
63 #include "llvm/Analysis/OptimizationRemarkEmitter.h"
64 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
65 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
66 #include "llvm/IR/CFG.h"
67 #include "llvm/IR/Constants.h"
68 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
69 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
70 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
71 #include "llvm/IR/Dominators.h"
72 #include "llvm/IR/Function.h"
73 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
74 #include "llvm/IR/Instructions.h"
75 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
76 #include "llvm/IR/Module.h"
77 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
78 #include "llvm/InitializePasses.h"
79 #include "llvm/Pass.h"
80 #include "llvm/Support/Debug.h"
81 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
82 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
83 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
84 using namespace llvm;
85
86 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
87
88 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
89 STATISTIC(NumRetDuped,   "Number of return duplicated");
90 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
91
92 /// Scan the specified function for alloca instructions.
93 /// If it contains any dynamic allocas, returns false.
94 static bool canTRE(Function &F) {
95   // Because of PR962, we don't TRE dynamic allocas.
96   return llvm::all_of(instructions(F), [](Instruction &I) {
97     auto *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I);
98     return !AI || AI->isStaticAlloca();
99   });
100 }
101
102 namespace {
103 struct AllocaDerivedValueTracker {
104   // Start at a root value and walk its use-def chain to mark calls that use the
105   // value or a derived value in AllocaUsers, and places where it may escape in
106   // EscapePoints.
107   void walk(Value *Root) {
108     SmallVector<Use *, 32> Worklist;
109     SmallPtrSet<Use *, 32> Visited;
110
111     auto AddUsesToWorklist = [&](Value *V) {
112       for (auto &U : V->uses()) {
113         if (!Visited.insert(&U).second)
114           continue;
115         Worklist.push_back(&U);
116       }
117     };
118
119     AddUsesToWorklist(Root);
120
121     while (!Worklist.empty()) {
122       Use *U = Worklist.pop_back_val();
123       Instruction *I = cast<Instruction>(U->getUser());
124
125       switch (I->getOpcode()) {
126       case Instruction::Call:
127       case Instruction::Invoke: {
128         auto &CB = cast<CallBase>(*I);
129         // If the alloca-derived argument is passed byval it is not an escape
130         // point, or a use of an alloca. Calling with byval copies the contents
131         // of the alloca into argument registers or stack slots, which exist
132         // beyond the lifetime of the current frame.
133         if (CB.isArgOperand(U) && CB.isByValArgument(CB.getArgOperandNo(U)))
134           continue;
135         bool IsNocapture =
136             CB.isDataOperand(U) && CB.doesNotCapture(CB.getDataOperandNo(U));
137         callUsesLocalStack(CB, IsNocapture);
138         if (IsNocapture) {
139           // If the alloca-derived argument is passed in as nocapture, then it
140           // can't propagate to the call's return. That would be capturing.
141           continue;
142         }
143         break;
144       }
145       case Instruction::Load: {
146         // The result of a load is not alloca-derived (unless an alloca has
147         // otherwise escaped, but this is a local analysis).
148         continue;
149       }
150       case Instruction::Store: {
151         if (U->getOperandNo() == 0)
152           EscapePoints.insert(I);
153         continue;  // Stores have no users to analyze.
154       }
155       case Instruction::BitCast:
156       case Instruction::GetElementPtr:
157       case Instruction::PHI:
158       case Instruction::Select:
159       case Instruction::AddrSpaceCast:
160         break;
161       default:
162         EscapePoints.insert(I);
163         break;
164       }
165
166       AddUsesToWorklist(I);
167     }
168   }
169
170   void callUsesLocalStack(CallBase &CB, bool IsNocapture) {
171     // Add it to the list of alloca users.
172     AllocaUsers.insert(&CB);
173
174     // If it's nocapture then it can't capture this alloca.
175     if (IsNocapture)
176       return;
177
178     // If it can write to memory, it can leak the alloca value.
179     if (!CB.onlyReadsMemory())
180       EscapePoints.insert(&CB);
181   }
182
183   SmallPtrSet<Instruction *, 32> AllocaUsers;
184   SmallPtrSet<Instruction *, 32> EscapePoints;
185 };
186 }
187
188 static bool markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls,
189                       OptimizationRemarkEmitter *ORE) {
190   if (F.callsFunctionThatReturnsTwice())
191     return false;
192   AllCallsAreTailCalls = true;
193
194   // The local stack holds all alloca instructions and all byval arguments.
195   AllocaDerivedValueTracker Tracker;
196   for (Argument &Arg : F.args()) {
197     if (Arg.hasByValAttr())
198       Tracker.walk(&Arg);
199   }
200   for (auto &BB : F) {
201     for (auto &I : BB)
202       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I))
203         Tracker.walk(AI);
204   }
205
206   bool Modified = false;
207
208   // Track whether a block is reachable after an alloca has escaped. Blocks that
209   // contain the escaping instruction will be marked as being visited without an
210   // escaped alloca, since that is how the block began.
211   enum VisitType {
212     UNVISITED,
213     UNESCAPED,
214     ESCAPED
215   };
216   DenseMap<BasicBlock *, VisitType> Visited;
217
218   // We propagate the fact that an alloca has escaped from block to successor.
219   // Visit the blocks that are propagating the escapedness first. To do this, we
220   // maintain two worklists.
221   SmallVector<BasicBlock *, 32> WorklistUnescaped, WorklistEscaped;
222
223   // We may enter a block and visit it thinking that no alloca has escaped yet,
224   // then see an escape point and go back around a loop edge and come back to
225   // the same block twice. Because of this, we defer setting tail on calls when
226   // we first encounter them in a block. Every entry in this list does not
227   // statically use an alloca via use-def chain analysis, but may find an alloca
228   // through other means if the block turns out to be reachable after an escape
229   // point.
230   SmallVector<CallInst *, 32> DeferredTails;
231
232   BasicBlock *BB = &F.getEntryBlock();
233   VisitType Escaped = UNESCAPED;
234   do {
235     for (auto &I : *BB) {
236       if (Tracker.EscapePoints.count(&I))
237         Escaped = ESCAPED;
238
239       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
240       if (!CI || CI->isTailCall() || isa<DbgInfoIntrinsic>(&I))
241         continue;
242
243       bool IsNoTail = CI->isNoTailCall() || CI->hasOperandBundles();
244
245       if (!IsNoTail && CI->doesNotAccessMemory()) {
246         // A call to a readnone function whose arguments are all things computed
247         // outside this function can be marked tail. Even if you stored the
248         // alloca address into a global, a readnone function can't load the
249         // global anyhow.
250         //
251         // Note that this runs whether we know an alloca has escaped or not. If
252         // it has, then we can't trust Tracker.AllocaUsers to be accurate.
253         bool SafeToTail = true;
254         for (auto &Arg : CI->arg_operands()) {
255           if (isa<Constant>(Arg.getUser()))
256             continue;
257           if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(Arg.getUser()))
258             if (!A->hasByValAttr())
259               continue;
260           SafeToTail = false;
261           break;
262         }
263         if (SafeToTail) {
264           using namespace ore;
265           ORE->emit([&]() {
266             return OptimizationRemark(DEBUG_TYPE, "tailcall-readnone", CI)
267                    << "marked as tail call candidate (readnone)";
268           });
269           CI->setTailCall();
270           Modified = true;
271           continue;
272         }
273       }
274
275       if (!IsNoTail && Escaped == UNESCAPED && !Tracker.AllocaUsers.count(CI)) {
276         DeferredTails.push_back(CI);
277       } else {
278         AllCallsAreTailCalls = false;
279       }
280     }
281
282     for (auto *SuccBB : make_range(succ_begin(BB), succ_end(BB))) {
283       auto &State = Visited[SuccBB];
284       if (State < Escaped) {
285         State = Escaped;
286         if (State == ESCAPED)
287           WorklistEscaped.push_back(SuccBB);
288         else
289           WorklistUnescaped.push_back(SuccBB);
290       }
291     }
292
293     if (!WorklistEscaped.empty()) {
294       BB = WorklistEscaped.pop_back_val();
295       Escaped = ESCAPED;
296     } else {
297       BB = nullptr;
298       while (!WorklistUnescaped.empty()) {
299         auto *NextBB = WorklistUnescaped.pop_back_val();
300         if (Visited[NextBB] == UNESCAPED) {
301           BB = NextBB;
302           Escaped = UNESCAPED;
303           break;
304         }
305       }
306     }
307   } while (BB);
308
309   for (CallInst *CI : DeferredTails) {
310     if (Visited[CI->getParent()] != ESCAPED) {
311       // If the escape point was part way through the block, calls after the
312       // escape point wouldn't have been put into DeferredTails.
313       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Marked as tail call candidate: " << *CI << "\n");
314       CI->setTailCall();
315       Modified = true;
316     } else {
317       AllCallsAreTailCalls = false;
318     }
319   }
320
321   return Modified;
322 }
323
324 /// Return true if it is safe to move the specified
325 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
326 /// instructions between the call and this instruction are movable.
327 ///
328 static bool canMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI, AliasAnalysis *AA) {
329   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
330   // call does not mod/ref the memory location being processed.
331   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
332     return false;
333
334   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
335     // Loads may always be moved above calls without side effects.
336     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
337       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
338       // does not write to memory and the load provably won't trap.
339       // Writes to memory only matter if they may alias the pointer
340       // being loaded from.
341       const DataLayout &DL = L->getModule()->getDataLayout();
342       if (isModSet(AA->getModRefInfo(CI, MemoryLocation::get(L))) ||
343           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L->getType(),
344                                        L->getAlign(), DL, L))
345         return false;
346     }
347   }
348
349   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
350   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
351   // return value of the call, it must only use things that are defined before
352   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
353   // itself.
354   return !is_contained(I->operands(), CI);
355 }
356
357 static bool canTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI) {
358   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative())
359     return false;
360
361   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
362          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
363
364   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
365   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
366       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
367     return false;
368
369   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
370   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->user_back()))
371     return false;
372
373   return true;
374 }
375
376 static Instruction *firstNonDbg(BasicBlock::iterator I) {
377   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
378     ++I;
379   return &*I;
380 }
381
382 namespace {
383 class TailRecursionEliminator {
384   Function &F;
385   const TargetTransformInfo *TTI;
386   AliasAnalysis *AA;
387   OptimizationRemarkEmitter *ORE;
388   DomTreeUpdater &DTU;
389
390   // The below are shared state we want to have available when eliminating any
391   // calls in the function. There values should be populated by
392   // createTailRecurseLoopHeader the first time we find a call we can eliminate.
393   BasicBlock *HeaderBB = nullptr;
394   SmallVector<PHINode *, 8> ArgumentPHIs;
395   bool RemovableCallsMustBeMarkedTail = false;
396
397   // PHI node to store our return value.
398   PHINode *RetPN = nullptr;
399
400   // i1 PHI node to track if we have a valid return value stored in RetPN.
401   PHINode *RetKnownPN = nullptr;
402
403   // Vector of select instructions we insereted. These selects use RetKnownPN
404   // to either propagate RetPN or select a new return value.
405   SmallVector<SelectInst *, 8> RetSelects;
406
407   // The below are shared state needed when performing accumulator recursion.
408   // There values should be populated by insertAccumulator the first time we
409   // find an elimination that requires an accumulator.
410
411   // PHI node to store our current accumulated value.
412   PHINode *AccPN = nullptr;
413
414   // The instruction doing the accumulating.
415   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = nullptr;
416
417   TailRecursionEliminator(Function &F, const TargetTransformInfo *TTI,
418                           AliasAnalysis *AA, OptimizationRemarkEmitter *ORE,
419                           DomTreeUpdater &DTU)
420       : F(F), TTI(TTI), AA(AA), ORE(ORE), DTU(DTU) {}
421
422   CallInst *findTRECandidate(Instruction *TI,
423                              bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
424
425   void createTailRecurseLoopHeader(CallInst *CI);
426
427   void insertAccumulator(Instruction *AccRecInstr);
428
429   bool eliminateCall(CallInst *CI);
430
431   bool foldReturnAndProcessPred(ReturnInst *Ret,
432                                 bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
433
434   bool processReturningBlock(ReturnInst *Ret,
435                              bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
436
437   void cleanupAndFinalize();
438
439 public:
440   static bool eliminate(Function &F, const TargetTransformInfo *TTI,
441                         AliasAnalysis *AA, OptimizationRemarkEmitter *ORE,
442                         DomTreeUpdater &DTU);
443 };
444 } // namespace
445
446 CallInst *TailRecursionEliminator::findTRECandidate(
447     Instruction *TI, bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
448   BasicBlock *BB = TI->getParent();
449
450   if (&BB->front() == TI) // Make sure there is something before the terminator.
451     return nullptr;
452
453   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
454   // this block.  If so, set CI to it.
455   CallInst *CI = nullptr;
456   BasicBlock::iterator BBI(TI);
457   while (true) {
458     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
459     if (CI && CI->getCalledFunction() == &F)
460       break;
461
462     if (BBI == BB->begin())
463       return nullptr;          // Didn't find a potential tail call.
464     --BBI;
465   }
466
467   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
468   // the function, we cannot perform this optimization.
469   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
470     return nullptr;
471
472   // As a special case, detect code like this:
473   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
474   // and disable this xform in this case, because the code generator will
475   // lower the call to fabs into inline code.
476   if (BB == &F.getEntryBlock() &&
477       firstNonDbg(BB->front().getIterator()) == CI &&
478       firstNonDbg(std::next(BB->begin())) == TI && CI->getCalledFunction() &&
479       !TTI->isLoweredToCall(CI->getCalledFunction())) {
480     // A single-block function with just a call and a return. Check that
481     // the arguments match.
482     auto I = CI->arg_begin(), E = CI->arg_end();
483     Function::arg_iterator FI = F.arg_begin(), FE = F.arg_end();
484     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
485       if (*I != &*FI) break;
486     if (I == E && FI == FE)
487       return nullptr;
488   }
489
490   return CI;
491 }
492
493 void TailRecursionEliminator::createTailRecurseLoopHeader(CallInst *CI) {
494   HeaderBB = &F.getEntryBlock();
495   BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F.getContext(), "", &F, HeaderBB);
496   NewEntry->takeName(HeaderBB);
497   HeaderBB->setName("tailrecurse");
498   BranchInst *BI = BranchInst::Create(HeaderBB, NewEntry);
499   BI->setDebugLoc(CI->getDebugLoc());
500
501   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
502   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.
503   // We have to choose whether we move allocas in the entry block to the new
504   // entry block or not, so we can't make a good choice for both. We make this
505   // decision here based on whether the first call we found to remove is
506   // marked tail.
507   // NOTE: We could do slightly better here in the case that the function has
508   // no entry block allocas.
509   RemovableCallsMustBeMarkedTail = CI->isTailCall();
510
511   // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
512   // entry block, move them up to the new entry block.
513   if (RemovableCallsMustBeMarkedTail)
514     // Move all fixed sized allocas from HeaderBB to NewEntry.
515     for (BasicBlock::iterator OEBI = HeaderBB->begin(), E = HeaderBB->end(),
516                               NEBI = NewEntry->begin();
517          OEBI != E;)
518       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
519         if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
520           AI->moveBefore(&*NEBI);
521
522   // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
523   // block, insert a PHI node for each argument of the function.
524   // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
525   // which are passed in.
526   Instruction *InsertPos = &HeaderBB->front();
527   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
528     PHINode *PN =
529         PHINode::Create(I->getType(), 2, I->getName() + ".tr", InsertPos);
530     I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
531     PN->addIncoming(&*I, NewEntry);
532     ArgumentPHIs.push_back(PN);
533   }
534
535   // If the function doen't return void, create the RetPN and RetKnownPN PHI
536   // nodes to track our return value. We initialize RetPN with undef and
537   // RetKnownPN with false since we can't know our return value at function
538   // entry.
539   Type *RetType = F.getReturnType();
540   if (!RetType->isVoidTy()) {
541     Type *BoolType = Type::getInt1Ty(F.getContext());
542     RetPN = PHINode::Create(RetType, 2, "ret.tr", InsertPos);
543     RetKnownPN = PHINode::Create(BoolType, 2, "ret.known.tr", InsertPos);
544
545     RetPN->addIncoming(UndefValue::get(RetType), NewEntry);
546     RetKnownPN->addIncoming(ConstantInt::getFalse(BoolType), NewEntry);
547   }
548
549   // The entry block was changed from HeaderBB to NewEntry.
550   // The forward DominatorTree needs to be recalculated when the EntryBB is
551   // changed. In this corner-case we recalculate the entire tree.
552   DTU.recalculate(*NewEntry->getParent());
553 }
554
555 void TailRecursionEliminator::insertAccumulator(Instruction *AccRecInstr) {
556   assert(!AccPN && "Trying to insert multiple accumulators");
557
558   AccumulatorRecursionInstr = AccRecInstr;
559
560   // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
561   pred_iterator PB = pred_begin(HeaderBB), PE = pred_end(HeaderBB);
562   AccPN = PHINode::Create(F.getReturnType(), std::distance(PB, PE) + 1,
563                           "accumulator.tr", &HeaderBB->front());
564
565   // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
566   // real entry into the function we seed the PHI with the identity constant for
567   // the accumulation operation.  For any other existing branches to this block
568   // (due to other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
569   // Because we haven't added the branch in the current block to HeaderBB yet,
570   // it will not show up as a predecessor.
571   for (pred_iterator PI = PB; PI != PE; ++PI) {
572     BasicBlock *P = *PI;
573     if (P == &F.getEntryBlock()) {
574       Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(
575           AccRecInstr->getOpcode(), AccRecInstr->getType());
576       AccPN->addIncoming(Identity, P);
577     } else {
578       AccPN->addIncoming(AccPN, P);
579     }
580   }
581
582   ++NumAccumAdded;
583 }
584
585 bool TailRecursionEliminator::eliminateCall(CallInst *CI) {
586   ReturnInst *Ret = cast<ReturnInst>(CI->getParent()->getTerminator());
587
588   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
589   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
590   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
591   // Check that this is the case now.
592   Instruction *AccRecInstr = nullptr;
593   BasicBlock::iterator BBI(CI);
594   for (++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
595     if (canMoveAboveCall(&*BBI, CI, AA))
596       continue;
597
598     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
599     // is an associative and commutative operation that could be transformed
600     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
601     // case, and if so, remember which instruction accumulates for later.
602     if (AccPN || !canTransformAccumulatorRecursion(&*BBI, CI))
603       return false; // We cannot eliminate the tail recursion!
604
605     // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
606     // accumulates.
607     AccRecInstr = &*BBI;
608   }
609
610   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
611
612   using namespace ore;
613   ORE->emit([&]() {
614     return OptimizationRemark(DEBUG_TYPE, "tailcall-recursion", CI)
615            << "transforming tail recursion into loop";
616   });
617
618   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
619   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
620   if (!HeaderBB)
621     createTailRecurseLoopHeader(CI);
622
623   if (RemovableCallsMustBeMarkedTail && !CI->isTailCall())
624     return false;
625
626   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
627   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
628   // parameters passed into the tail-recursive call.
629   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
630     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
631
632   if (AccRecInstr) {
633     insertAccumulator(AccRecInstr);
634
635     // Rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not use
636     // the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
637     // inserted.
638     AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
639   }
640
641   // Update our return value tracking
642   if (RetPN) {
643     if (Ret->getReturnValue() == CI || AccRecInstr) {
644       // Defer selecting a return value
645       RetPN->addIncoming(RetPN, BB);
646       RetKnownPN->addIncoming(RetKnownPN, BB);
647     } else {
648       // We found a return value we want to use, insert a select instruction to
649       // select it if we don't already know what our return value will be and
650       // store the result in our return value PHI node.
651       SelectInst *SI = SelectInst::Create(
652           RetKnownPN, RetPN, Ret->getReturnValue(), "current.ret.tr", Ret);
653       RetSelects.push_back(SI);
654
655       RetPN->addIncoming(SI, BB);
656       RetKnownPN->addIncoming(ConstantInt::getTrue(RetKnownPN->getType()), BB);
657     }
658
659     if (AccPN)
660       AccPN->addIncoming(AccRecInstr ? AccRecInstr : AccPN, BB);
661   }
662
663   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
664   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
665   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(HeaderBB, Ret);
666   NewBI->setDebugLoc(CI->getDebugLoc());
667
668   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
669   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
670   DTU.applyUpdates({{DominatorTree::Insert, BB, HeaderBB}});
671   ++NumEliminated;
672   return true;
673 }
674
675 bool TailRecursionEliminator::foldReturnAndProcessPred(
676     ReturnInst *Ret, bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
677   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
678
679   bool Change = false;
680
681   // Make sure this block is a trivial return block.
682   assert(BB->getFirstNonPHIOrDbg() == Ret &&
683          "Trying to fold non-trivial return block");
684
685   // If the return block contains nothing but the return and PHI's,
686   // there might be an opportunity to duplicate the return in its
687   // predecessors and perform TRE there. Look for predecessors that end
688   // in unconditional branch and recursive call(s).
689   SmallVector<BranchInst*, 8> UncondBranchPreds;
690   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
691     BasicBlock *Pred = *PI;
692     Instruction *PTI = Pred->getTerminator();
693     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(PTI))
694       if (BI->isUnconditional())
695         UncondBranchPreds.push_back(BI);
696   }
697
698   while (!UncondBranchPreds.empty()) {
699     BranchInst *BI = UncondBranchPreds.pop_back_val();
700     BasicBlock *Pred = BI->getParent();
701     if (CallInst *CI =
702             findTRECandidate(BI, CannotTailCallElimCallsMarkedTail)) {
703       LLVM_DEBUG(dbgs() << "FOLDING: " << *BB
704                         << "INTO UNCOND BRANCH PRED: " << *Pred);
705       FoldReturnIntoUncondBranch(Ret, BB, Pred, &DTU);
706
707       // Cleanup: if all predecessors of BB have been eliminated by
708       // FoldReturnIntoUncondBranch, delete it.  It is important to empty it,
709       // because the ret instruction in there is still using a value which
710       // eliminateRecursiveTailCall will attempt to remove.
711       if (!BB->hasAddressTaken() && pred_begin(BB) == pred_end(BB))
712         DTU.deleteBB(BB);
713
714       eliminateCall(CI);
715       ++NumRetDuped;
716       Change = true;
717     }
718   }
719
720   return Change;
721 }
722
723 bool TailRecursionEliminator::processReturningBlock(
724     ReturnInst *Ret, bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
725   CallInst *CI = findTRECandidate(Ret, CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
726   if (!CI)
727     return false;
728
729   return eliminateCall(CI);
730 }
731
732 void TailRecursionEliminator::cleanupAndFinalize() {
733   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
734   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
735   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
736   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
737   // call.
738   for (PHINode *PN : ArgumentPHIs) {
739     // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
740     if (Value *PNV = SimplifyInstruction(PN, F.getParent()->getDataLayout())) {
741       PN->replaceAllUsesWith(PNV);
742       PN->eraseFromParent();
743     }
744   }
745
746   if (RetPN) {
747     if (RetSelects.empty()) {
748       // If we didn't insert any select instructions, then we know we didn't
749       // store a return value and we can remove the PHI nodes we inserted.
750       RetPN->dropAllReferences();
751       RetPN->eraseFromParent();
752
753       RetKnownPN->dropAllReferences();
754       RetKnownPN->eraseFromParent();
755
756       if (AccPN) {
757         // We need to insert a copy of our accumulator instruction before any
758         // return in the function, and return its result instead.
759         Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
760         for (BasicBlock &BB : F) {
761           ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BB.getTerminator());
762           if (!RI)
763             continue;
764
765           Instruction *AccRecInstrNew = AccRecInstr->clone();
766           AccRecInstrNew->setName("accumulator.ret.tr");
767           AccRecInstrNew->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) == AccPN,
768                                      RI->getOperand(0));
769           AccRecInstrNew->insertBefore(RI);
770           RI->setOperand(0, AccRecInstrNew);
771         }
772       }
773     } else {
774       // We need to insert a select instruction before any return left in the
775       // function to select our stored return value if we have one.
776       for (BasicBlock &BB : F) {
777         ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BB.getTerminator());
778         if (!RI)
779           continue;
780
781         SelectInst *SI = SelectInst::Create(
782             RetKnownPN, RetPN, RI->getOperand(0), "current.ret.tr", RI);
783         RetSelects.push_back(SI);
784         RI->setOperand(0, SI);
785       }
786
787       if (AccPN) {
788         // We need to insert a copy of our accumulator instruction before any
789         // of the selects we inserted, and select its result instead.
790         Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
791         for (SelectInst *SI : RetSelects) {
792           Instruction *AccRecInstrNew = AccRecInstr->clone();
793           AccRecInstrNew->setName("accumulator.ret.tr");
794           AccRecInstrNew->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) == AccPN,
795                                      SI->getFalseValue());
796           AccRecInstrNew->insertBefore(SI);
797           SI->setFalseValue(AccRecInstrNew);
798         }
799       }
800     }
801   }
802 }
803
804 bool TailRecursionEliminator::eliminate(Function &F,
805                                         const TargetTransformInfo *TTI,
806                                         AliasAnalysis *AA,
807                                         OptimizationRemarkEmitter *ORE,
808                                         DomTreeUpdater &DTU) {
809   if (F.getFnAttribute("disable-tail-calls").getValueAsString() == "true")
810     return false;
811
812   bool MadeChange = false;
813   bool AllCallsAreTailCalls = false;
814   MadeChange |= markTails(F, AllCallsAreTailCalls, ORE);
815   if (!AllCallsAreTailCalls)
816     return MadeChange;
817
818   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
819   // right, so don't even try to convert it...
820   if (F.getFunctionType()->isVarArg())
821     return MadeChange;
822
823   // If false, we cannot perform TRE on tail calls marked with the 'tail'
824   // attribute, because doing so would cause the stack size to increase (real
825   // TRE would deallocate variable sized allocas, TRE doesn't).
826   bool CanTRETailMarkedCall = canTRE(F);
827
828   TailRecursionEliminator TRE(F, TTI, AA, ORE, DTU);
829
830   // Change any tail recursive calls to loops.
831   //
832   // FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
833   // alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
834   // Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
835   // happen.  This bug is PR962.
836   for (Function::iterator BBI = F.begin(), E = F.end(); BBI != E; /*in loop*/) {
837     BasicBlock *BB = &*BBI++; // foldReturnAndProcessPred may delete BB.
838     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator())) {
839       bool Change = TRE.processReturningBlock(Ret, !CanTRETailMarkedCall);
840       if (!Change && BB->getFirstNonPHIOrDbg() == Ret)
841         Change = TRE.foldReturnAndProcessPred(Ret, !CanTRETailMarkedCall);
842       MadeChange |= Change;
843     }
844   }
845
846   TRE.cleanupAndFinalize();
847
848   return MadeChange;
849 }
850
851 namespace {
852 struct TailCallElim : public FunctionPass {
853   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
854   TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
855     initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
856   }
857
858   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
859     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
860     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
861     AU.addRequired<OptimizationRemarkEmitterWrapperPass>();
862     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
863     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
864     AU.addPreserved<PostDominatorTreeWrapperPass>();
865   }
866
867   bool runOnFunction(Function &F) override {
868     if (skipFunction(F))
869       return false;
870
871     auto *DTWP = getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
872     auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
873     auto *PDTWP = getAnalysisIfAvailable<PostDominatorTreeWrapperPass>();
874     auto *PDT = PDTWP ? &PDTWP->getPostDomTree() : nullptr;
875     // There is no noticable performance difference here between Lazy and Eager
876     // UpdateStrategy based on some test results. It is feasible to switch the
877     // UpdateStrategy to Lazy if we find it profitable later.
878     DomTreeUpdater DTU(DT, PDT, DomTreeUpdater::UpdateStrategy::Eager);
879
880     return TailRecursionEliminator::eliminate(
881         F, &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F),
882         &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults(),
883         &getAnalysis<OptimizationRemarkEmitterWrapperPass>().getORE(), DTU);
884   }
885 };
886 }
887
888 char TailCallElim::ID = 0;
889 INITIALIZE_PASS_BEGIN(TailCallElim, "tailcallelim", "Tail Call Elimination",
890                       false, false)
891 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
892 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(OptimizationRemarkEmitterWrapperPass)
893 INITIALIZE_PASS_END(TailCallElim, "tailcallelim", "Tail Call Elimination",
894                     false, false)
895
896 // Public interface to the TailCallElimination pass
897 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
898   return new TailCallElim();
899 }
900
901 PreservedAnalyses TailCallElimPass::run(Function &F,
902                                         FunctionAnalysisManager &AM) {
903
904   TargetTransformInfo &TTI = AM.getResult<TargetIRAnalysis>(F);
905   AliasAnalysis &AA = AM.getResult<AAManager>(F);
906   auto &ORE = AM.getResult<OptimizationRemarkEmitterAnalysis>(F);
907   auto *DT = AM.getCachedResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
908   auto *PDT = AM.getCachedResult<PostDominatorTreeAnalysis>(F);
909   // There is no noticable performance difference here between Lazy and Eager
910   // UpdateStrategy based on some test results. It is feasible to switch the
911   // UpdateStrategy to Lazy if we find it profitable later.
912   DomTreeUpdater DTU(DT, PDT, DomTreeUpdater::UpdateStrategy::Eager);
913   bool Changed = TailRecursionEliminator::eliminate(F, &TTI, &AA, &ORE, DTU);
914
915   if (!Changed)
916     return PreservedAnalyses::all();
917   PreservedAnalyses PA;
918   PA.preserve<GlobalsAA>();
919   PA.preserve<DominatorTreeAnalysis>();
920   PA.preserve<PostDominatorTreeAnalysis>();
921   return PA;
922 }