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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / ArgumentPromotion.cpp
1 //===-- ArgumentPromotion.cpp - Promote 'by reference' arguments ----------===//
2 // 
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 // 
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass promotes "by reference" arguments to be "by value" arguments.  In
11 // practice, this means looking for internal functions that have pointer
12 // arguments.  If we can prove, through the use of alias analysis, that that an
13 // argument is *only* loaded, then we can pass the value into the function
14 // instead of the address of the value.  This can cause recursive simplification
15 // of code, and lead to the elimination of allocas, especially in C++ template
16 // code like the STL.
17 //
18 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
19 // stored to (returning the value instead), but we do not currently handle that
20 // case.
21 //
22 // Note that we should be able to promote pointers to structures that are only
23 // loaded from as well.  The danger is creating way to many arguments, so this
24 // transformation should be limited to 3 element structs or something.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
29 #include "llvm/Constants.h"
30 #include "llvm/DerivedTypes.h"
31 #include "llvm/Module.h"
32 #include "llvm/Pass.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
35 #include "llvm/Target/TargetData.h"
36 #include "llvm/Support/CallSite.h"
37 #include "llvm/Support/CFG.h"
38 #include "Support/Debug.h"
39 #include "Support/DepthFirstIterator.h"
40 #include "Support/Statistic.h"
41 #include <set>
42 using namespace llvm;
43
44 namespace {
45   Statistic<> NumArgumentsPromoted("argpromotion",
46                                    "Number of pointer arguments promoted");
47   Statistic<> NumArgumentsDead("argpromotion",
48                                "Number of dead pointer args eliminated");
49
50   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
51   ///
52   class ArgPromotion : public Pass {
53     // WorkList - The set of internal functions that we have yet to process.  As
54     // we eliminate arguments from a function, we push all callers into this set
55     // so that the by reference argument can be bubbled out as far as possible.
56     // This set contains only internal functions.
57     std::set<Function*> WorkList;
58   public:
59     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
60       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
61       AU.addRequired<TargetData>();
62     }
63
64     virtual bool run(Module &M);
65   private:
66     bool PromoteArguments(Function *F);
67     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;  
68     void DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
69   };
70
71   RegisterOpt<ArgPromotion> X("argpromotion",
72                               "Promote 'by reference' arguments to scalars");
73 }
74
75 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
76   return new ArgPromotion();
77 }
78
79 bool ArgPromotion::run(Module &M) {
80   bool Changed = false;
81   for (Module::iterator I = M.begin(), E = M.end(); I != E; ++I)
82     if (I->hasInternalLinkage()) {
83       WorkList.insert(I);
84
85       // If there are any constant pointer refs pointing to this function,
86       // eliminate them now if possible.
87       ConstantPointerRef *CPR = 0;
88       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
89            ++UI)
90         if ((CPR = dyn_cast<ConstantPointerRef>(*UI)))
91           break;  // Found one!
92       if (CPR) {
93         // See if we can transform all users to use the function directly.
94         while (!CPR->use_empty()) {
95           User *TheUser = CPR->use_back();
96           if (!isa<Constant>(TheUser) && !isa<GlobalVariable>(TheUser)) {
97             Changed = true;
98             TheUser->replaceUsesOfWith(CPR, I);
99           } else {
100             // We won't be able to eliminate all users.  :(
101             WorkList.erase(I);  // Minor efficiency win.
102             break;
103           }
104         }
105
106         // If we nuked all users of the CPR, kill the CPR now!
107         if (CPR->use_empty()) {
108           CPR->destroyConstant();
109           Changed = true;
110         }
111       }
112     }
113   
114   while (!WorkList.empty()) {
115     Function *F = *WorkList.begin();
116     WorkList.erase(WorkList.begin());
117
118     if (PromoteArguments(F))    // Attempt to promote an argument.
119       Changed = true;           // Remember that we changed something.
120   }
121   
122   return Changed;
123 }
124
125
126 bool ArgPromotion::PromoteArguments(Function *F) {
127   assert(F->hasInternalLinkage() && "We can only process internal functions!");
128
129   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
130   std::vector<Argument*> PointerArgs;
131   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
132     if (isa<PointerType>(I->getType()))
133       PointerArgs.push_back(I);
134   if (PointerArgs.empty()) return false;
135
136   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
137   // transform functions that have indirect callers.
138   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
139        UI != E; ++UI) {
140     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
141     if (Instruction *I = CS.getInstruction()) {
142       // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
143       // an argument.
144       for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
145            AI != E; ++AI)
146         if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
147     } else {
148       return false;  // Cannot promote an indirect call!
149     }
150   }
151
152   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
153   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
154   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
155     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
156       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
157       PointerArgs.pop_back();
158     }
159
160   // No promotable pointer arguments.
161   if (PointerArgs.empty()) return false;
162
163   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
164   DoPromotion(F, PointerArgs);
165   return true;
166 }
167
168 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
169   // We can only promote this argument if all of the uses are loads...
170   std::vector<LoadInst*> Loads;
171   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
172        UI != E; ++UI)
173     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
174       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
175       Loads.push_back(LI);
176     } else
177       return false;
178
179   if (Loads.empty()) return true;  // No users, dead argument.
180
181   const Type *LoadTy = cast<PointerType>(Arg->getType())->getElementType();
182   unsigned LoadSize = getAnalysis<TargetData>().getTypeSize(LoadTy);
183
184   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions.
185   // Check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
186   // the function to each of the load instructions.
187   Function &F = *Arg->getParent();
188
189   // Because there could be several/many load instructions, remember which
190   // blocks we know to be transparent to the load.
191   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
192
193   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
194
195   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
196     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
197     // the load itself.
198     LoadInst *Load = Loads[i];
199     BasicBlock *BB = Load->getParent();
200     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
201       return false;  // Pointer is invalidated!
202
203     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
204     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
205     // loading block.
206     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
207       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
208              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
209         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
210           return false;
211   }
212
213   // If the path from the entry of the function to each load is free of
214   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
215   // transformation!
216   return true;
217 }
218
219
220 void ArgPromotion::DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
221   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
222   
223   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
224   // the old function, but has modified arguments.
225   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
226   std::vector<const Type*> Params;
227
228   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
229     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
230       Params.push_back(I->getType());
231     } else if (!I->use_empty()) {
232       Params.push_back(cast<PointerType>(I->getType())->getElementType());
233       ++NumArgumentsPromoted;
234     } else {
235       ++NumArgumentsDead;
236     }
237
238   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
239
240   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
241   // have zero fixed arguments.
242   bool ExtraArgHack = false;
243   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
244     ExtraArgHack = true;
245     Params.push_back(Type::IntTy);
246   }
247   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
248   
249    // Create the new function body and insert it into the module...
250   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
251   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
252   
253   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
254   // to pass in the loaded pointers.
255   //
256   std::vector<Value*> Args;
257   while (!F->use_empty()) {
258     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
259     Instruction *Call = CS.getInstruction();
260
261     // Make sure the caller of this function is revisited.
262     if (Call->getParent()->getParent()->hasInternalLinkage())
263       WorkList.insert(Call->getParent()->getParent());
264     
265     // Loop over the operands, deleting dead ones...
266     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
267     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I, ++AI)
268       if (!ArgsToPromote.count(I))
269         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
270       else if (!I->use_empty()) {
271         // Non-dead instruction
272         Args.push_back(new LoadInst(*AI, (*AI)->getName()+".val", Call));
273       }
274
275     if (ExtraArgHack)
276       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
277
278     // Push any varargs arguments on the list
279     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
280       Args.push_back(*AI);
281
282     Instruction *New;
283     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
284       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
285                            Args, "", Call);
286     } else {
287       New = new CallInst(NF, Args, "", Call);
288     }
289     Args.clear();
290
291     if (!Call->use_empty()) {
292       Call->replaceAllUsesWith(New);
293       std::string Name = Call->getName();
294       Call->setName("");
295       New->setName(Name);
296     }
297     
298     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
299     // F.
300     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
301   }
302
303   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
304   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
305   // function empty.
306   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
307
308   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
309   // the new arguments, also transfering over the names as well.
310   //
311   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(), I2 = NF->abegin();
312        I != E; ++I)
313     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
314       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
315       // new version.
316       I->replaceAllUsesWith(I2);
317       I2->setName(I->getName());
318       ++I2;
319     } else if (!I->use_empty()) {
320       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
321       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
322       // added.
323       DEBUG(std::cerr << "*** Promoted argument '" << I->getName()
324                       << "' of function '" << F->getName() << "'\n");
325       I2->setName(I->getName()+".val");
326       while (!I->use_empty()) {
327         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(I->use_back());
328         LI->replaceAllUsesWith(I2);
329         LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
330       }
331
332       // If we inserted a new pointer type, it's possible that IT could be
333       // promoted too.
334       if (isa<PointerType>(I2->getType()))
335         WorkList.insert(NF);
336       ++I2;
337     }
338
339   // Now that the old function is dead, delete it.
340   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
341 }