Implement ArgumentPromotion/aggregate-promote.ll
[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 // 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 something!
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 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
32 #include "llvm/Constants.h"
33 #include "llvm/DerivedTypes.h"
34 #include "llvm/Module.h"
35 #include "llvm/Pass.h"
36 #include "llvm/Instructions.h"
37 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
38 #include "llvm/Target/TargetData.h"
39 #include "llvm/Support/CallSite.h"
40 #include "llvm/Support/CFG.h"
41 #include "Support/Debug.h"
42 #include "Support/DepthFirstIterator.h"
43 #include "Support/Statistic.h"
44 #include "Support/StringExtras.h"
45 #include <set>
46 using namespace llvm;
47
48 namespace {
49   Statistic<> NumArgumentsPromoted("argpromotion",
50                                    "Number of pointer arguments promoted");
51   Statistic<> NumAggregatesPromoted("argpromotion",
52                                     "Number of aggregate arguments promoted");
53   Statistic<> NumArgumentsDead("argpromotion",
54                                "Number of dead pointer args eliminated");
55
56   /// ArgPromotion - The 'by reference' to 'by value' argument promotion pass.
57   ///
58   class ArgPromotion : public Pass {
59     // WorkList - The set of internal functions that we have yet to process.  As
60     // we eliminate arguments from a function, we push all callers into this set
61     // so that the by reference argument can be bubbled out as far as possible.
62     // This set contains only internal functions.
63     std::set<Function*> WorkList;
64   public:
65     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
66       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
67       AU.addRequired<TargetData>();
68     }
69
70     virtual bool run(Module &M);
71   private:
72     bool PromoteArguments(Function *F);
73     bool isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const;  
74     void DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &ArgsToPromote);
75   };
76
77   RegisterOpt<ArgPromotion> X("argpromotion",
78                               "Promote 'by reference' arguments to scalars");
79 }
80
81 Pass *llvm::createArgumentPromotionPass() {
82   return new ArgPromotion();
83 }
84
85 bool ArgPromotion::run(Module &M) {
86   bool Changed = false;
87   for (Module::iterator I = M.begin(), E = M.end(); I != E; ++I)
88     if (I->hasInternalLinkage()) {
89       WorkList.insert(I);
90
91       // If there are any constant pointer refs pointing to this function,
92       // eliminate them now if possible.
93       ConstantPointerRef *CPR = 0;
94       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
95            ++UI)
96         if ((CPR = dyn_cast<ConstantPointerRef>(*UI)))
97           break;  // Found one!
98       if (CPR) {
99         // See if we can transform all users to use the function directly.
100         while (!CPR->use_empty()) {
101           User *TheUser = CPR->use_back();
102           if (!isa<Constant>(TheUser) && !isa<GlobalVariable>(TheUser)) {
103             Changed = true;
104             TheUser->replaceUsesOfWith(CPR, I);
105           } else {
106             // We won't be able to eliminate all users.  :(
107             WorkList.erase(I);  // Minor efficiency win.
108             break;
109           }
110         }
111
112         // If we nuked all users of the CPR, kill the CPR now!
113         if (CPR->use_empty()) {
114           CPR->destroyConstant();
115           Changed = true;
116         }
117       }
118     }
119   
120   while (!WorkList.empty()) {
121     Function *F = *WorkList.begin();
122     WorkList.erase(WorkList.begin());
123
124     if (PromoteArguments(F))    // Attempt to promote an argument.
125       Changed = true;           // Remember that we changed something.
126   }
127   
128   return Changed;
129 }
130
131
132 bool ArgPromotion::PromoteArguments(Function *F) {
133   assert(F->hasInternalLinkage() && "We can only process internal functions!");
134
135   // First check: see if there are any pointer arguments!  If not, quick exit.
136   std::vector<Argument*> PointerArgs;
137   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
138     if (isa<PointerType>(I->getType()))
139       PointerArgs.push_back(I);
140   if (PointerArgs.empty()) return false;
141
142   // Second check: make sure that all callers are direct callers.  We can't
143   // transform functions that have indirect callers.
144   for (Value::use_iterator UI = F->use_begin(), E = F->use_end();
145        UI != E; ++UI) {
146     CallSite CS = CallSite::get(*UI);
147     if (Instruction *I = CS.getInstruction()) {
148       // Ensure that this call site is CALLING the function, not passing it as
149       // an argument.
150       for (CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin(), E = CS.arg_end();
151            AI != E; ++AI)
152         if (*AI == F) return false;   // Passing the function address in!
153     } else {
154       return false;  // Cannot promote an indirect call!
155     }
156   }
157
158   // Check to see which arguments are promotable.  If an argument is not
159   // promotable, remove it from the PointerArgs vector.
160   for (unsigned i = 0; i != PointerArgs.size(); ++i)
161     if (!isSafeToPromoteArgument(PointerArgs[i])) {
162       std::swap(PointerArgs[i--], PointerArgs.back());
163       PointerArgs.pop_back();
164     }
165
166   // No promotable pointer arguments.
167   if (PointerArgs.empty()) return false;
168
169   // Okay, promote all of the arguments are rewrite the callees!
170   DoPromotion(F, PointerArgs);
171   return true;
172 }
173
174 bool ArgPromotion::isSafeToPromoteArgument(Argument *Arg) const {
175   // We can only promote this argument if all of the uses are loads, or are GEP
176   // instructions (with constant indices) that are subsequently loaded.
177   std::vector<LoadInst*> Loads;
178   std::vector<std::vector<Constant*> > GEPIndices;
179   for (Value::use_iterator UI = Arg->use_begin(), E = Arg->use_end();
180        UI != E; ++UI)
181     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
182       if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
183       Loads.push_back(LI);
184     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(*UI)) {
185       if (GEP->use_empty()) {
186         // Dead GEP's cause trouble later.  Just remove them if we run into
187         // them.
188         GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
189         return isSafeToPromoteArgument(Arg);
190       }
191       // Ensure that all of the indices are constants.
192       std::vector<Constant*> Operands;
193       for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
194         if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(GEP->getOperand(i)))
195           Operands.push_back(C);
196         else
197           return false;  // Not a constant operand GEP!
198
199       // Ensure that the only users of the GEP are load instructions.
200       for (Value::use_iterator UI = GEP->use_begin(), E = GEP->use_end();
201            UI != E; ++UI)
202         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
203           if (LI->isVolatile()) return false;  // Don't hack volatile loads
204           Loads.push_back(LI);
205         } else {
206           return false;
207         }
208
209       // See if there is already a GEP with these indices.  If so, check to make
210       // sure that we aren't promoting too many elements.  If not, nothing to
211       // do.
212       if (std::find(GEPIndices.begin(), GEPIndices.end(), Operands) ==
213           GEPIndices.end()) {
214         if (GEPIndices.size() == 3) {
215           // We limit aggregate promotion to only promoting up to three elements
216           // of the aggregate.
217           return false;
218         }
219         GEPIndices.push_back(Operands);
220       }
221     } else {
222       return false;  // Not a load or a GEP.
223     }
224
225   if (Loads.empty()) return true;  // No users, dead argument.
226
227   // Okay, now we know that the argument is only used by load instructions.
228   // Check to see if the pointer is guaranteed to not be modified from entry of
229   // the function to each of the load instructions.
230   Function &F = *Arg->getParent();
231
232   // Because there could be several/many load instructions, remember which
233   // blocks we know to be transparent to the load.
234   std::set<BasicBlock*> TranspBlocks;
235
236   AliasAnalysis &AA = getAnalysis<AliasAnalysis>();
237   TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
238
239   for (unsigned i = 0, e = Loads.size(); i != e; ++i) {
240     // Check to see if the load is invalidated from the start of the block to
241     // the load itself.
242     LoadInst *Load = Loads[i];
243     BasicBlock *BB = Load->getParent();
244
245     const PointerType *LoadTy =
246       cast<PointerType>(Load->getOperand(0)->getType());
247     unsigned LoadSize = TD.getTypeSize(LoadTy->getElementType());
248
249     if (AA.canInstructionRangeModify(BB->front(), *Load, Arg, LoadSize))
250       return false;  // Pointer is invalidated!
251
252     // Now check every path from the entry block to the load for transparency.
253     // To do this, we perform a depth first search on the inverse CFG from the
254     // loading block.
255     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
256       for (idf_ext_iterator<BasicBlock*> I = idf_ext_begin(*PI, TranspBlocks),
257              E = idf_ext_end(*PI, TranspBlocks); I != E; ++I)
258         if (AA.canBasicBlockModify(**I, Arg, LoadSize))
259           return false;
260   }
261
262   // If the path from the entry of the function to each load is free of
263   // instructions that potentially invalidate the load, we can make the
264   // transformation!
265   return true;
266 }
267
268
269 void ArgPromotion::DoPromotion(Function *F, std::vector<Argument*> &Args2Prom) {
270   std::set<Argument*> ArgsToPromote(Args2Prom.begin(), Args2Prom.end());
271   
272   // Start by computing a new prototype for the function, which is the same as
273   // the old function, but has modified arguments.
274   const FunctionType *FTy = F->getFunctionType();
275   std::vector<const Type*> Params;
276
277   // ScalarizedElements - If we are promoting a pointer that has elements
278   // accessed out of it, keep track of which elements are accessed so that we
279   // can add one argument for each.
280   //
281   // Arguments that are directly loaded will have a zero element value here, to
282   // handle cases where there are both a direct load and GEP accesses.
283   //
284   std::map<Argument*, std::set<std::vector<Value*> > > ScalarizedElements;
285
286   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I)
287     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
288       Params.push_back(I->getType());
289     } else if (!I->use_empty()) {
290       // Okay, this is being promoted.  Check to see if there are any GEP uses
291       // of the argument.
292       std::set<std::vector<Value*> > &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
293       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
294            ++UI) {
295         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
296         assert(isa<LoadInst>(User) || isa<GetElementPtrInst>(User));
297         ArgIndices.insert(std::vector<Value*>(User->op_begin()+1,
298                                               User->op_end()));
299       }
300
301       // Add a parameter to the function for each element passed in.
302       for (std::set<std::vector<Value*> >::iterator SI = ArgIndices.begin(),
303              E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI)
304         Params.push_back(GetElementPtrInst::getIndexedType(I->getType(), *SI));
305
306       if (ArgIndices.size() == 1 && ArgIndices.begin()->empty())
307         ++NumArgumentsPromoted;
308       else
309         ++NumAggregatesPromoted;
310     } else {
311       ++NumArgumentsDead;
312     }
313
314   const Type *RetTy = FTy->getReturnType();
315
316   // Work around LLVM bug PR56: the CWriter cannot emit varargs functions which
317   // have zero fixed arguments.
318   bool ExtraArgHack = false;
319   if (Params.empty() && FTy->isVarArg()) {
320     ExtraArgHack = true;
321     Params.push_back(Type::IntTy);
322   }
323   FunctionType *NFTy = FunctionType::get(RetTy, Params, FTy->isVarArg());
324   
325    // Create the new function body and insert it into the module...
326   Function *NF = new Function(NFTy, F->getLinkage(), F->getName());
327   F->getParent()->getFunctionList().insert(F, NF);
328   
329   // Loop over all of the callers of the function, transforming the call sites
330   // to pass in the loaded pointers.
331   //
332   std::vector<Value*> Args;
333   while (!F->use_empty()) {
334     CallSite CS = CallSite::get(F->use_back());
335     Instruction *Call = CS.getInstruction();
336
337     // Make sure the caller of this function is revisited.
338     if (Call->getParent()->getParent()->hasInternalLinkage())
339       WorkList.insert(Call->getParent()->getParent());
340     
341     // Loop over the operands, deleting dead ones...
342     CallSite::arg_iterator AI = CS.arg_begin();
343     for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(); I != E; ++I, ++AI)
344       if (!ArgsToPromote.count(I))
345         Args.push_back(*AI);          // Unmodified argument
346       else if (!I->use_empty()) {
347         // Non-dead argument.
348         std::set<std::vector<Value*> > &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
349         for (std::set<std::vector<Value*> >::iterator SI = ArgIndices.begin(),
350                E = ArgIndices.end(); SI != E; ++SI) {
351           Value *V = *AI;
352           if (!SI->empty())
353             V = new GetElementPtrInst(V, *SI, V->getName()+".idx", Call);
354
355           Args.push_back(new LoadInst(V, V->getName()+".val", Call));
356         }
357       }
358
359     if (ExtraArgHack)
360       Args.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
361
362     // Push any varargs arguments on the list
363     for (; AI != CS.arg_end(); ++AI)
364       Args.push_back(*AI);
365
366     Instruction *New;
367     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(Call)) {
368       New = new InvokeInst(NF, II->getNormalDest(), II->getUnwindDest(),
369                            Args, "", Call);
370     } else {
371       New = new CallInst(NF, Args, "", Call);
372     }
373     Args.clear();
374
375     if (!Call->use_empty()) {
376       Call->replaceAllUsesWith(New);
377       std::string Name = Call->getName();
378       Call->setName("");
379       New->setName(Name);
380     }
381     
382     // Finally, remove the old call from the program, reducing the use-count of
383     // F.
384     Call->getParent()->getInstList().erase(Call);
385   }
386
387   // Since we have now created the new function, splice the body of the old
388   // function right into the new function, leaving the old rotting hulk of the
389   // function empty.
390   NF->getBasicBlockList().splice(NF->begin(), F->getBasicBlockList());
391
392   // Loop over the argument list, transfering uses of the old arguments over to
393   // the new arguments, also transfering over the names as well.
394   //
395   for (Function::aiterator I = F->abegin(), E = F->aend(), I2 = NF->abegin();
396        I != E; ++I)
397     if (!ArgsToPromote.count(I)) {
398       // If this is an unmodified argument, move the name and users over to the
399       // new version.
400       I->replaceAllUsesWith(I2);
401       I2->setName(I->getName());
402       ++I2;
403     } else if (!I->use_empty()) {
404       // Otherwise, if we promoted this argument, then all users are load
405       // instructions, and all loads should be using the new argument that we
406       // added.
407       std::set<std::vector<Value*> > &ArgIndices = ScalarizedElements[I];
408
409       while (!I->use_empty()) {
410         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->use_back())) {
411           assert(ArgIndices.begin()->empty() &&
412                  "Load element should sort to front!");
413           I2->setName(I->getName()+".val");
414           LI->replaceAllUsesWith(I2);
415           LI->getParent()->getInstList().erase(LI);
416           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted argument '" << I->getName()
417                           << "' of function '" << F->getName() << "'\n");
418         } else {
419           GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(I->use_back());
420           std::vector<Value*> Operands(GEP->op_begin()+1, GEP->op_end());
421
422           unsigned ArgNo = 0;
423           Function::aiterator TheArg = I2;
424           for (std::set<std::vector<Value*> >::iterator It = ArgIndices.begin();
425                *It != Operands; ++It, ++TheArg) {
426             assert(It != ArgIndices.end() && "GEP not handled??");
427           }
428
429           std::string NewName = I->getName();
430           for (unsigned i = 0, e = Operands.size(); i != e; ++i)
431             if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Operands[i]))
432               NewName += "."+itostr((int64_t)CI->getRawValue());
433             else
434               NewName += ".x";
435           TheArg->setName(NewName+".val");
436
437           DEBUG(std::cerr << "*** Promoted agg argument '" << TheArg->getName()
438                           << "' of function '" << F->getName() << "'\n");
439
440           // All of the uses must be load instructions.  Replace them all with
441           // the argument specified by ArgNo.
442           while (!GEP->use_empty()) {
443             LoadInst *L = cast<LoadInst>(GEP->use_back());
444             L->replaceAllUsesWith(TheArg);
445             L->getParent()->getInstList().erase(L);
446           }
447           GEP->getParent()->getInstList().erase(GEP);
448         }
449       }
450
451       // If we inserted a new pointer type, it's possible that IT could be
452       // promoted too.  Also, increment I2 past all of the arguments for this
453       // pointer.
454       for (unsigned i = 0, e = ArgIndices.size(); i != e; ++i, ++I2)
455         if (isa<PointerType>(I2->getType()))
456           WorkList.insert(NF);
457     }
458
459   // Now that the old function is dead, delete it.
460   F->getParent()->getFunctionList().erase(F);
461 }