]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/9.2.git/blob - contrib/llvm/lib/Transforms/Utils/PromoteMemoryToRegister.cpp
- Copy stable/9 to releng/9.2 as part of the 9.2-RELEASE cycle.
[FreeBSD/releng/9.2.git] / contrib / llvm / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
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 file promotes memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using iterated dominator frontiers to place PHI nodes, then
13 // traversing the function in depth-first order to rewrite loads and stores as
14 // appropriate.
15 //
16 // The algorithm used here is based on:
17 //
18 //   Sreedhar and Gao. A linear time algorithm for placing phi-nodes.
19 //   In Proceedings of the 22nd ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of
20 //   Programming Languages
21 //   POPL '95. ACM, New York, NY, 62-73.
22 //
23 // It has been modified to not explicitly use the DJ graph data structure and to
24 // directly compute pruned SSA using per-variable liveness information.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
32 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
38 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
39 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
40 #include "llvm/DIBuilder.h"
41 #include "llvm/DebugInfo.h"
42 #include "llvm/IR/Constants.h"
43 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
44 #include "llvm/IR/Function.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/IR/Metadata.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <queue>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
55 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
56 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
57 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
58
59 namespace llvm {
60 template<>
61 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
62   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
63   static inline EltTy getEmptyKey() {
64     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
65   }
66   static inline EltTy getTombstoneKey() {
67     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
68   }
69   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
70     using llvm::hash_value;
71     return static_cast<unsigned>(hash_value(Val));
72   }
73   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
74     return LHS == RHS;
75   }
76 };
77 }
78
79 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
80 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
81 ///
82 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
83   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
84   // assignments to subsections of the memory unit.
85
86   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
87   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
88        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
89     const User *U = *UI;
90     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
91       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
92       // not have any meaning for a local alloca.
93       if (LI->isVolatile())
94         return false;
95     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
96       if (SI->getOperand(0) == AI)
97         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
98       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
99       // not have any meaning for a local alloca.
100       if (SI->isVolatile())
101         return false;
102     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
103       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
104           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
105         return false;
106     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
107       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
108         return false;
109       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
110         return false;
111     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
112       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
113         return false;
114       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
115         return false;
116       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
117         return false;
118     } else {
119       return false;
120     }
121   }
122
123   return true;
124 }
125
126 namespace {
127   struct AllocaInfo;
128
129   // Data package used by RenamePass()
130   class RenamePassData {
131   public:
132     typedef std::vector<Value *> ValVector;
133     
134     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
135     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
136                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
137     BasicBlock *BB;
138     BasicBlock *Pred;
139     ValVector Values;
140     
141     void swap(RenamePassData &RHS) {
142       std::swap(BB, RHS.BB);
143       std::swap(Pred, RHS.Pred);
144       Values.swap(RHS.Values);
145     }
146   };
147   
148   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
149   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
150   ///
151   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
152   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
153   class LargeBlockInfo {
154     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
155     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
156     /// the start of the block.
157     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
158   public:
159     
160     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
161     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
162       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
163              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
164     }
165     
166     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
167     /// instruction.
168     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
169       assert(isInterestingInstruction(I) &&
170              "Not a load/store to/from an alloca?");
171       
172       // If we already have this instruction number, return it.
173       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
174       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
175       
176       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
177       // information for every interesting instruction in the block, in order to
178       // avoid gratuitus rescans.
179       const BasicBlock *BB = I->getParent();
180       unsigned InstNo = 0;
181       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
182            BBI != E; ++BBI)
183         if (isInterestingInstruction(BBI))
184           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
185       It = InstNumbers.find(I);
186       
187       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
188       return It->second;
189     }
190     
191     void deleteValue(const Instruction *I) {
192       InstNumbers.erase(I);
193     }
194     
195     void clear() {
196       InstNumbers.clear();
197     }
198   };
199
200   struct PromoteMem2Reg {
201     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
202     ///
203     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
204     DominatorTree &DT;
205     DIBuilder *DIB;
206
207     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
208     ///
209     AliasSetTracker *AST;
210     
211     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
212     ///
213     DenseMap<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
214
215     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.  That map is used to simplify
216     /// some Phi nodes as we iterate over it, so it should have deterministic
217     /// iterators.  We could use a MapVector, but since we already maintain a
218     /// map from BasicBlock* to a stable numbering (BBNumbers), the DenseMap is
219     /// more efficient (also supports removal).
220     ///
221     DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
222     
223     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
224     /// it corresponds to.
225     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
226     
227     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
228     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
229     /// to the inserted PHI nodes here.
230     ///
231     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
232
233     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
234     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
235     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
236     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
237
238     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
239     ///
240     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
241
242     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
243     /// non-determinstic behavior.
244     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
245
246     /// DomLevels - Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
247     DenseMap<DomTreeNode*, unsigned> DomLevels;
248
249     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
250     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
251   public:
252     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
253                    AliasSetTracker *ast)
254       : Allocas(A), DT(dt), DIB(0), AST(ast) {}
255     ~PromoteMem2Reg() {
256       delete DIB;
257     }
258
259     void run();
260
261     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
262     ///
263     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
264       return DT.dominates(BB1, BB2);
265     }
266
267   private:
268     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
269       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
270       Allocas.pop_back();
271       --AllocaIdx;
272     }
273
274     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
275       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
276       if (NP == 0)
277         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
278       return NP-1;
279     }
280
281     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
282                                  AllocaInfo &Info);
283     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
284                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
285                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
286     
287     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
288                                   LargeBlockInfo &LBI);
289     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
290                                   LargeBlockInfo &LBI);
291     
292     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
293                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
294                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
295     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
296   };
297   
298   struct AllocaInfo {
299     SmallVector<BasicBlock*, 32> DefiningBlocks;
300     SmallVector<BasicBlock*, 32> UsingBlocks;
301     
302     StoreInst  *OnlyStore;
303     BasicBlock *OnlyBlock;
304     bool OnlyUsedInOneBlock;
305     
306     Value *AllocaPointerVal;
307     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
308     
309     void clear() {
310       DefiningBlocks.clear();
311       UsingBlocks.clear();
312       OnlyStore = 0;
313       OnlyBlock = 0;
314       OnlyUsedInOneBlock = true;
315       AllocaPointerVal = 0;
316       DbgDeclare = 0;
317     }
318     
319     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
320     /// ivars.
321     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
322       clear();
323
324       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
325       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
326       // the same basic block.
327       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
328            UI != E;)  {
329         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
330
331         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
332           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
333           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
334           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
335           OnlyStore = SI;
336         } else {
337           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
338           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
339           // reads.
340           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
341           AllocaPointerVal = LI;
342         }
343         
344         if (OnlyUsedInOneBlock) {
345           if (OnlyBlock == 0)
346             OnlyBlock = User->getParent();
347           else if (OnlyBlock != User->getParent())
348             OnlyUsedInOneBlock = false;
349         }
350       }
351       
352       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
353     }
354   };
355
356   typedef std::pair<DomTreeNode*, unsigned> DomTreeNodePair;
357
358   struct DomTreeNodeCompare {
359     bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
360       return LHS.second < RHS.second;
361     }
362   };
363 }  // end of anonymous namespace
364
365 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
366   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
367   // instructions except for load and store.
368
369   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
370        UI != UE;) {
371     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
372     ++UI;
373     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
374       continue;
375
376     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
377       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
378       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
379       // dead code elimination later.
380       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
381            UI != UE;) {
382         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
383         ++UI;
384         Inst->eraseFromParent();
385       }
386     }
387     I->eraseFromParent();
388   }
389 }
390
391 void PromoteMem2Reg::run() {
392   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
393
394   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
395   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
396
397   AllocaInfo Info;
398   LargeBlockInfo LBI;
399
400   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
401     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
402
403     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
404            "Cannot promote non-promotable alloca!");
405     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
406            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
407
408     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
409
410     if (AI->use_empty()) {
411       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
412       if (AST) AST->deleteValue(AI);
413       AI->eraseFromParent();
414
415       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
416       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
417       ++NumDeadAlloca;
418       continue;
419     }
420     
421     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
422     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
423     Info.AnalyzeAlloca(AI);
424
425     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
426     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
427     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
428       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
429
430       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
431       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
432         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's 
433         // debuginfo.
434         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
435           if (!DIB)
436             DIB = new DIBuilder(*DDI->getParent()->getParent()->getParent());
437           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, *DIB);
438           DDI->eraseFromParent();
439         }
440         // Remove the (now dead) store and alloca.
441         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
442         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
443
444         if (AST) AST->deleteValue(AI);
445         AI->eraseFromParent();
446         LBI.deleteValue(AI);
447         
448         // The alloca has been processed, move on.
449         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
450         
451         ++NumSingleStore;
452         continue;
453       }
454     }
455     
456     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
457     // linear sweep over the block to eliminate it.
458     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
459       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
460       
461       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
462       // left.
463       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
464         
465         // Remove the (now dead) stores and alloca.
466         while (!AI->use_empty()) {
467           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
468           // Record debuginfo for the store before removing it.
469           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
470             if (!DIB)
471               DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
472             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
473           }
474           SI->eraseFromParent();
475           LBI.deleteValue(SI);
476         }
477         
478         if (AST) AST->deleteValue(AI);
479         AI->eraseFromParent();
480         LBI.deleteValue(AI);
481         
482         // The alloca has been processed, move on.
483         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
484         
485         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
486         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
487           DDI->eraseFromParent();
488
489         ++NumLocalPromoted;
490         continue;
491       }
492     }
493
494     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
495     if (DomLevels.empty()) {
496       SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
497
498       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
499       DomLevels[Root] = 0;
500       Worklist.push_back(Root);
501
502       while (!Worklist.empty()) {
503         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
504         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
505         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
506              CI != CE; ++CI) {
507           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
508           Worklist.push_back(*CI);
509         }
510       }
511     }
512
513     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
514     // now.
515     if (BBNumbers.empty()) {
516       unsigned ID = 0;
517       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
518         BBNumbers[I] = ID++;
519     }
520
521     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
522     // stored into the alloca.
523     if (AST)
524       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
525       
526     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
527     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
528     
529     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
530     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
531
532     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
533     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
534     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
535     // dead phi nodes.
536     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
537   }
538
539   if (Allocas.empty())
540     return; // All of the allocas must have been trivial!
541
542   LBI.clear();
543   
544   
545   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
546   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
547   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
548   //
549   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
550   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
551     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
552
553   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
554   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
555   //
556   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
557   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
558   do {
559     RenamePassData RPD;
560     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
561     RenamePassWorkList.pop_back();
562     // RenamePass may add new worklist entries.
563     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
564   } while (!RenamePassWorkList.empty());
565   
566   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
567   Visited.clear();
568
569   // Remove the allocas themselves from the function.
570   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
571     Instruction *A = Allocas[i];
572
573     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
574     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
575     // tree. Just delete the users now.
576     if (!A->use_empty())
577       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
578     if (AST) AST->deleteValue(A);
579     A->eraseFromParent();
580   }
581
582   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
583   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
584     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
585       DDI->eraseFromParent();
586
587   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
588   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
589   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
590   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
591   bool EliminatedAPHI = true;
592   while (EliminatedAPHI) {
593     EliminatedAPHI = false;
594     
595     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
596     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
597     // the values we replace with in a non deterministic order, thus creating
598     // non deterministic def->use chains.
599     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
600            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
601       PHINode *PN = I->second;
602
603       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
604       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, &DT)) {
605         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
606           AST->deleteValue(PN);
607         PN->replaceAllUsesWith(V);
608         PN->eraseFromParent();
609         NewPhiNodes.erase(I++);
610         EliminatedAPHI = true;
611         continue;
612       }
613       ++I;
614     }
615   }
616   
617   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
618   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
619   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
620   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
621   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
622   //
623   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
624          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
625     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
626     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
627     PHINode *SomePHI = I->second;
628     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
629     if (&BB->front() != SomePHI)
630       continue;
631
632     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
633     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
634     // number of incoming values, so we can just check any of them.
635     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
636       continue;
637
638     // Get the preds for BB.
639     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
640     
641     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
642     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
643     // access.
644     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
645     
646     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
647     // them from the Preds list.
648     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
649       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
650       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
651         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
652                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
653       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
654              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
655
656       // Remove the entry
657       Preds.erase(EntIt);
658     }
659
660     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
661     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
662     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
663     // mem2reg runs).
664     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
665     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
666     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
667            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
668       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
669       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
670         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
671     }
672   }
673         
674   NewPhiNodes.clear();
675 }
676
677
678 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
679 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
680 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
681 /// would be dead).
682 void PromoteMem2Reg::
683 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
684                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
685                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
686   
687   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
688   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
689   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
690   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
691                                                    Info.UsingBlocks.end());
692   
693   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
694   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
695   // the value isn't really live-in.
696   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
697     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
698     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
699     
700     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
701     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
702     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
703       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
704         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
705         
706         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
707         // actually live-in here.
708         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
709         LiveInBlockWorklist.pop_back();
710         --i, --e;
711         break;
712       }
713       
714       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
715         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
716         
717         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
718         // live into this block.
719         break;
720       }
721     }
722   }
723   
724   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
725   // their predecessors until we find the full region the value is live.
726   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
727     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
728     
729     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
730     // the set, then it has already been processed.
731     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
732       continue;
733     
734     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
735     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
736     // defining block.
737     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
738       BasicBlock *P = *PI;
739       
740       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
741       if (DefBlocks.count(P))
742         continue;
743       
744       // Otherwise it is, add to the worklist.
745       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
746     }
747   }
748 }
749
750 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
751 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
752 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
753 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
754 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
755                                              AllocaInfo &Info) {
756   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
757   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
758   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
759
760   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
761   // to uses.
762   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
763   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
764
765   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
766   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
767   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
768                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
769   IDFPriorityQueue PQ;
770
771   for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
772        E = DefBlocks.end(); I != E; ++I) {
773     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
774       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
775   }
776
777   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock*>, 32> DFBlocks;
778   SmallPtrSet<DomTreeNode*, 32> Visited;
779   SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
780   while (!PQ.empty()) {
781     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
782     PQ.pop();
783     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
784     unsigned RootLevel = RootPair.second;
785
786     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
787     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
788     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
789     // definition set.
790
791     Worklist.clear();
792     Worklist.push_back(Root);
793
794     while (!Worklist.empty()) {
795       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
796       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
797
798       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
799            ++SI) {
800         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
801
802         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
803         // of catching them below.
804         if (SuccNode->getIDom() == Node)
805           continue;
806
807         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
808         if (SuccLevel > RootLevel)
809           continue;
810
811         if (!Visited.insert(SuccNode))
812           continue;
813
814         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
815         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
816           continue;
817
818         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
819         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
820           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
821       }
822
823       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
824            ++CI) {
825         if (!Visited.count(*CI))
826           Worklist.push_back(*CI);
827       }
828     }
829   }
830
831   if (DFBlocks.size() > 1)
832     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
833
834   unsigned CurrentVersion = 0;
835   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
836     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
837 }
838
839 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
840 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
841 /// the value stored.
842 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
843                                               AllocaInfo &Info,
844                                               LargeBlockInfo &LBI) {
845   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
846   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
847   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
848   int StoreIndex = -1;
849
850   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
851   Info.UsingBlocks.clear();
852   
853   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
854     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
855     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
856       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
857       continue;
858     }
859     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
860     
861     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
862     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
863     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
864     // to insert the phi nodes as needed.
865     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
866       if (LI->getParent() == StoreBB) {
867         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
868         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
869         // load came before the store, we can't handle it.
870         if (StoreIndex == -1)
871           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
872
873         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
874           // Can't handle this load, bail out.
875           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
876           continue;
877         }
878         
879       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
880                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
881         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
882         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
883         // out.
884         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
885         continue;
886       }
887     }
888     
889     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
890     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
891     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
892     // code.
893     if (ReplVal == LI)
894       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
895     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
896     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
897       AST->deleteValue(LI);
898     LI->eraseFromParent();
899     LBI.deleteValue(LI);
900   }
901 }
902
903 namespace {
904
905 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
906 /// first element of a pair.
907 struct StoreIndexSearchPredicate {
908   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
909                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
910     return LHS.first < RHS.first;
911   }
912 };
913
914 }
915
916 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
917 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
918 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
919 /// the basic block using the Alloca.
920 ///
921 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
922 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
923 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
924 /// this is potentially correct:
925 ///
926 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
927 ///
928 /// ... so long as A is not used before undef is set.
929 ///
930 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
931                                               LargeBlockInfo &LBI) {
932   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
933   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
934   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
935   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
936   
937   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
938   Info.UsingBlocks.clear();
939   
940   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
941   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
942   StoresByIndexTy StoresByIndex;
943   
944   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
945        UI != E; ++UI) 
946     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
947       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
948
949   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
950   if (StoresByIndex.empty()) {
951     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
952       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
953         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
954         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
955           AST->deleteValue(LI);
956         LBI.deleteValue(LI);
957         LI->eraseFromParent();
958       }
959     return;
960   }
961   
962   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
963   // binary search.
964   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
965   
966   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
967   // store above them, if any.
968   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
969     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
970     if (!LI) continue;
971     
972     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
973     
974     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
975     StoresByIndexTy::iterator I = 
976       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
977                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
978                        StoreIndexSearchPredicate());
979     
980     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
981     if (I == StoresByIndex.begin()) {
982       // Can't handle this load, bail out.
983       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
984       continue;
985     }
986       
987     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
988     --I;
989     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
990     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
991       AST->deleteValue(LI);
992     LI->eraseFromParent();
993     LBI.deleteValue(LI);
994   }
995 }
996
997 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
998 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
999 //
1000 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
1001                                   unsigned &Version) {
1002   // Look up the basic-block in question.
1003   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
1004
1005   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
1006   if (PN) return false;
1007
1008   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
1009   // BasicBlock.
1010   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
1011                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
1012                        BB->begin());
1013   ++NumPHIInsert;
1014   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
1015
1016   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
1017     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
1018
1019   return true;
1020 }
1021
1022 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
1023 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
1024 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
1025 //
1026 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
1027                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
1028                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
1029 NextIteration:
1030   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
1031   // block.
1032   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
1033     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
1034     // BB.
1035     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
1036       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
1037       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
1038       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
1039       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
1040       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
1041       // operands so far.  Remember this count.
1042       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
1043       
1044       unsigned NumEdges = 0;
1045       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
1046         if (*I == BB)
1047           ++NumEdges;
1048       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1049       
1050       // Add entries for all the phis.
1051       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1052       do {
1053         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1054         
1055         // Add N incoming values to the PHI node.
1056         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1057           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1058         
1059         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1060         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1061         
1062         // Get the next phi node.
1063         ++PNI;
1064         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1065         if (APN == 0) break;
1066         
1067         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1068         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1069       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1070     }
1071   }
1072   
1073   // Don't revisit blocks.
1074   if (!Visited.insert(BB)) return;
1075
1076   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
1077     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1078
1079     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1080       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1081       if (!Src) continue;
1082   
1083       DenseMap<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1084       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
1085
1086       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1087
1088       // Anything using the load now uses the current value.
1089       LI->replaceAllUsesWith(V);
1090       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1091         AST->deleteValue(LI);
1092       BB->getInstList().erase(LI);
1093     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1094       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1095       // value
1096       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1097       if (!Dest) continue;
1098       
1099       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1100       if (ai == AllocaLookup.end())
1101         continue;
1102       
1103       // what value were we writing?
1104       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1105       // Record debuginfo for the store before removing it.
1106       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second]) {
1107         if (!DIB)
1108           DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
1109         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
1110       }
1111       BB->getInstList().erase(SI);
1112     }
1113   }
1114
1115   // 'Recurse' to our successors.
1116   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1117   if (I == E) return;
1118
1119   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1120   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1121
1122   // Handle the first successor without using the worklist.
1123   VisitedSuccs.insert(*I);
1124   Pred = BB;
1125   BB = *I;
1126   ++I;
1127
1128   for (; I != E; ++I)
1129     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1130       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1131
1132   goto NextIteration;
1133 }
1134
1135 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1136 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function does
1137 /// not modify the CFG of the function at all.  All allocas must be from the
1138 /// same function.
1139 ///
1140 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1141 /// made to the IR.
1142 ///
1143 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1144                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1145   // If there is nothing to do, bail out...
1146   if (Allocas.empty()) return;
1147
1148   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1149 }