Initial automake generated Makefile template
[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 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 // This pass also handles aggregate arguments that are passed into a function,
19 // scalarizing them if the elements of the aggregate are only loaded.  Note that
20 // we refuse to scalarize aggregates which would require passing in more than
21 // three operands to the function, because we don't want to pass thousands of
22 // operands for a large array or structure!
23 //
24 // Note that this transformation could also be done for arguments that are only
25 // stored to (returning the value instead), but we do not currently handle that
26 // case.  This case would be best handled when and if we start supporting
27 // multiple return values from functions.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30
31 #define DEBUG_TYPE "argpromotion"
32 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
33 #include "llvm/Constants.h"
34 #include "llvm/DerivedTypes.h"
35 #include "llvm/Module.h"
36 #include "llvm/CallGraphSCCPass.h"
37 #include "llvm/Instructions.h"
38 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
39 #include "llvm/Analysis/CallGraph.h"
40 #include "llvm/Target/TargetData.h"
41 #include "llvm/Support/CallSite.h"
42 #include "llvm/Support/CFG.h"
43 #include "llvm/Support/Debug.h"
44 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
47 #include <set>
48 using namespace llvm;
49
50 namespace {
51   Statistic<> NumArgumentsPromoted("argpromotion",
52                                    "Number of pointer arguments promoted");
53   Statistic<> NumAggregatesPromoted("argpromotion",
54                                     "Number of aggregate arguments promoted");
55   Statistic<> NumArgumentsDead("argpromotion",
56                                "Number of dead pointer args eliminated");
57
58   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
59   ///
60   struct ArgPromotion : public CallGraphSCCPass {
61     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
62       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
63       AU.addRequired<TargetData>();
64       CallGraphSCCPass::getAnalysisUsage(AU);
65     }
66
67     virtual bool runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC);
68   private:
69     bool PromoteArguments(CallGraphNode *CGN);
70     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;  
71     Function *DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
72   };
73
74   RegisterOpt<ArgPromotion> X("argpromotion",
75                               "Promote 'by reference' arguments to scalars");
76 }
77
78 ModulePass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
79   return new ArgPromotion();
80 }
81
82 bool ArgPromotion::runOnSCC(const std::vector<CallGraphNode *> &SCC) {
83   bool Changed = false, LocalChange;
84
85   do {  // Iterate until we stop promoting from this SCC.
86     LocalChange = false;
87     // Attempt to promote arguments from all functions in this SCC.
88     for (unsigned i = 0, e = SCC.size(); i != e; ++i)
89       LocalChange |= PromoteArguments(SCC[i]);
90     Changed |= LocalChange;               // Remember that we changed something.
91   } while (LocalChange);
92   
93   return Changed;
94 }
95
96 /// PromoteArguments - This method checks the specified function to see if there
97 /// are any promotable arguments and if it is safe to promote the function (for
98 /// example, all callers are direct).  If safe to promote some arguments, it
99 /// calls the DoPromotion method.
100 ///
101 bool ArgPromotion::PromoteArguments(CallGraphNode *CGN) {
102   Function *F = CGN->getFunction();
103
104   // Make sure that it is local to this module.
105   if (!F || !F->hasInternalLinkage()) return false;
106
107   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
108   std::vector<Argument*> PointerArgs;
109   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
110     if (isa<PointerType>(I->getType()))
111       PointerArgs.push_back(I);
112   if (PointerArgs.empty()) return false;
113
114   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
115   // transform functions that have indirect callers.
116   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
117        UI != E; ++UI) {
118     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
119     if (!CS.getInstruction())       // "Taking the address" of the function
120       return false;
121
122     // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
123     // an argument.
124     for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
125          AI != E; ++AI)
126       if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
127   }
128
129   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
130   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
131   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
132     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
133       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
134       PointerArgs.pop_back();
135     }
136
137   // No promotable pointer arguments.
138   if (PointerArgs.empty()) return false;
139
140   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
141   Function *NewF = DoPromotion(F, PointerArgs);
142
143   // Update the call graph to know that the old function is gone.
144   getAnalysis<CallGraph>().changeFunction(F, NewF);
145   return true;
146 }
147
148
149 /// isSafeToPromoteArgument - As you might guess from the name of this method,
150 /// it checks to see if it is both safe and useful to promote the argument.
151 /// This method limits promotion of aggregates to only promote up to three
152 /// elements of the aggregate in order to avoid exploding the number of
153 /// arguments passed in.
154 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
155   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
156   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
157   std::vector<LoadInst*> Loads;
158   std::vector<std::vector<ConstantInt*> > GEPIndices;
159   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
160        UI != E; ++UI)
161     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
162       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
163       Loads.push_back(LI);
164     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
165       if (GEP->use_empty()) {
166         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
167         // them.
168         getAnalysis<AliasAnalysis>().deleteValue(GEP);
169         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
170         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
171       }
172       // Ensure that all of the indices are constants.
173       std::vector<ConstantInt*> Operands;
174       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
175         if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i)))
176           Operands.push_back(C);
177         else
178           return false;  // Not a constant operand GEP!
179
180       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
181       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
182            UI != E; ++UI)
183         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
184           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
185           Loads.push_back(LI);
186         } else {
187           return false;
188         }
189
190       // See if there is already a GEP with these indices.  If not, check to
191       // make sure that we aren't promoting too many elements.  If so, nothing
192       // to do.
193       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
194           GEPIndices.end()) {
195         if (GEPIndices.size() == 3) {
196           DEBUG(std::cerr << "argpromotion disable promoting argument '"
197                 << Arg->getName() << "' because it would require adding more "
198                 << "than 3 arguments to the function.\n");
199           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
200           // of the aggregate.
201           return false;
202         }
203         GEPIndices.push_back(Operands);
204       }
205     } else {
206       return false;  // Not a load or a GEP.
207     }
208
209   if (Loads.empty()) return true;  // No users, this is a dead argument.
210
211   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions.  Use
212   // alias analysis to check to see if the pointer is guaranteed to not be
213   // modified from entry of the function to each of the load instructions.
214   Function &F = *Arg->getParent();
215
216   // Because there could be several/many load instructions, remember which
217   // blocks we know to be transparent to the load.
218   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
219
220   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
221   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
222
223   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
224     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
225     // the load itself.
226     LoadInst *Load = Loads[i];
227     BasicBlock *BB = Load->getParent();
228
229     const PointerType *LoadTy =
230       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
231     unsigned LoadSize = TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
232
233     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
234       return false;  // Pointer is invalidated!
235
236     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
237     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
238     // loading block.
239     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
240       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
241              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
242         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
243           return false;
244   }
245
246   // If the path from the entry of the function to each load is free of
247   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
248   // transformation!
249   return true;
250 }
251
252 namespace {
253   /// GEPIdxComparator - Provide a strong ordering for GEP indices.  All Value*
254   /// elements are instances of ConstantInt.
255   ///
256   struct GEPIdxComparator {
257     bool operator()(const std::vector<Value*> &LHS,
258                     const std::vector<Value*> &RHS) const {
259       unsigned idx = 0;
260       for (; idx < LHS.size() && idx < RHS.size(); ++idx) {
261         if (LHS[idx] != RHS[idx]) {
262           return cast<ConstantInt>(LHS[idx])->getRawValue() < 
263                  cast<ConstantInt>(RHS[idx])->getRawValue();
264         }
265       }
266
267       // Return less than if we ran out of stuff in LHS and we didn't run out of
268       // stuff in RHS.
269       return idx == LHS.size() && idx != RHS.size();
270     }
271   };
272 }
273
274
275 /// DoPromotion - This method actually performs the promotion of the specified
276 /// arguments, and returns the new function.  At this point, we know that it's
277 /// safe to do so.
278 Function *ArgPromotion::DoPromotion(Function *F,
279                                     std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
280   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
281   
282   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
283   // the old function, but has modified arguments.
284   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
285   std::vector<const Type*> Params;
286
287   typedef std::set<std::vector<Value*>, GEPIdxComparator> ScalarizeTable;
288
289   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
290   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
291   // can add one argument for each.
292   //
293   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
294   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
295   //
296   std::map<Argument*, ScalarizeTable> ScalarizedElements;
297
298   // OriginalLoads - Keep track of a representative load instruction from the
299   // original function so that we can tell the alias analysis implementation
300   // what the new GEP/Load instructions we are inserting look like.
301   std::map<std::vector<Value*>, LoadInst*> OriginalLoads;
302
303   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
304     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
305       Params.push_back(I->getType());
306     } else if (I->use_empty()) {
307       ++NumArgumentsDead;
308     } else {
309       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
310       // of the argument.
311       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
312       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
313            ++UI) {
314         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
315         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
316         std::vector<Value*> Indices(User->op_begin()+1, User->op_end());
317         ArgIndices.insert(Indices);
318         LoadInst *OrigLoad;
319         if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(User))
320           OrigLoad = L;
321         else
322           OrigLoad = cast<LoadInst>(User->use_back());
323         OriginalLoads[Indices] = OrigLoad;
324       }
325
326       // Add a parameter to the function for each element passed in.
327       for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
328              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
329         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
330
331       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
332         ++NumArgumentsPromoted;
333       else
334         ++NumAggregatesPromoted;
335     }
336
337   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
338
339   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
340   // have zero fixed arguments.
341   bool ExtraArgHack = false;
342   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
343     ExtraArgHack = true;
344     Params.push_back(Type::IntTy);
345   }
346   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
347   
348    // Create the new function body and insert it into the module...
349   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
350   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
351
352   // Get the alias analysis information that we need to update to reflect our
353   // changes.
354   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
355
356   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
357   // to pass in the loaded pointers.
358   //
359   std::vector<Value*> Args;
360   while (!F->use_empty()) {
361     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
362     Instruction *Call = CS.getInstruction();
363
364     // Loop over the operands, inserting GEP and loads in the caller as
365     // appropriate.
366     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
367     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I, ++AI)
368       if (!ArgsToPromote.count(I))
369         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
370       else if (!I->use_empty()) {
371         // Non-dead argument: insert GEPs and loads as appropriate.
372         ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
373         for (ScalarizeTable::iterator SI = ArgIndices.begin(),
374                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
375           Value *V = *AI;
376           LoadInst *OrigLoad = OriginalLoads[*SI];
377           if (!SI->empty()) {
378             V = new GetElementPtrInst(V, *SI, V->getName()+".idx", Call);
379             AA.copyValue(OrigLoad->getOperand(0), V);
380           }
381           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
382           AA.copyValue(OrigLoad, Args.back());
383         }
384       }
385
386     if (ExtraArgHack)
387       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
388
389     // Push any varargs arguments on the list
390     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
391       Args.push_back(*AI);
392
393     Instruction *New;
394     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
395       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
396                            Args, "", Call);
397     } else {
398       New = new CallInst(NF, Args, "", Call);
399     }
400     Args.clear();
401
402     // Update the alias analysis implementation to know that we are replacing
403     // the old call with a new one.
404     AA.replaceWithNewValue(Call, New);
405
406     if (!Call->use_empty()) {
407       Call->replaceAllUsesWith(New);
408       std::string Name = Call->getName();
409       Call->setName("");
410       New->setName(Name);
411     }
412     
413     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
414     // F.
415     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
416   }
417
418   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
419   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
420   // function empty.
421   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
422
423   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
424   // the new arguments, also transfering over the names as well.
425   //
426   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(), I2 = NF->abegin();
427        I != E; ++I)
428     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
429       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
430       // new version.
431       I->replaceAllUsesWith(I2);
432       I2->setName(I->getName());
433       AA.replaceWithNewValue(I, I2);
434       ++I2;
435     } else if (I->use_empty()) {
436       AA.deleteValue(I);
437     } else {
438       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
439       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
440       // added.
441       ScalarizeTable &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
442
443       while (!I->use_empty()) {
444         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
445           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
446                  "Load element should sort to front!");
447           I2->setName(I->getName()+".val");
448           LI->replaceAllUsesWith(I2);
449           AA.replaceWithNewValue(LI, I2);
450           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
451           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted load of argument '" << I->getName()
452                           << "' in function '" << F->getName() << "'\n");
453         } else {
454           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
455           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
456
457           unsigned ArgNo = 0;
458           Function::aiterator TheArg = I2;
459           for (ScalarizeTable::iterator It = ArgIndices.begin();
460                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
461             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
462           }
463
464           std::string NewName = I->getName();
465           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
466             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
467               NewName += "."+itostr((int64_t)CI->getRawValue());
468             else
469               NewName += ".x";
470           TheArg->setName(NewName+".val");
471
472           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
473                           << "' of function '" << F->getName() << "'\n");
474
475           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
476           // the argument specified by ArgNo.
477           while (!GEP->use_empty()) {
478             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
479             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
480             AA.replaceWithNewValue(L, TheArg);
481             L->getParent()->getInstList().erase(L);
482           }
483           AA.deleteValue(GEP);
484           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
485         }
486       }
487
488       // Increment I2 past all of the arguments added for this promoted pointer.
489       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i)
490         ++I2;
491     }
492
493   // Notify the alias analysis implementation that we inserted a new argument.
494   if (ExtraArgHack)
495     AA.copyValue(Constant::getNullValue(Type::IntTy), NF->abegin());
496
497
498   // Tell the alias analysis that the old function is about to disappear.
499   AA.replaceWithNewValue(F, NF);
500
501   // Now that the old function is dead, delete it.
502   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
503   return NF;
504 }