IR: Add COMDATs to the IR
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / GlobalOpt.cpp
1 //===- GlobalOpt.cpp - Optimize Global Variables --------------------------===//
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 pass transforms simple global variables that never have their address
11 // taken.  If obviously true, it marks read/write globals as constant, deletes
12 // variables only stored to, etc.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15
16 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
17 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
18 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
19 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
20 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
21 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
22 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
23 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
24 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
25 #include "llvm/IR/CallSite.h"
26 #include "llvm/IR/CallingConv.h"
27 #include "llvm/IR/Constants.h"
28 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
29 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
30 #include "llvm/IR/GetElementPtrTypeIterator.h"
31 #include "llvm/IR/Instructions.h"
32 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
33 #include "llvm/IR/Module.h"
34 #include "llvm/IR/Operator.h"
35 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
36 #include "llvm/Pass.h"
37 #include "llvm/Support/Debug.h"
38 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
39 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
40 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
41 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/CtorUtils.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/GlobalStatus.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h"
45 #include <algorithm>
46 #include <deque>
47 using namespace llvm;
48
49 #define DEBUG_TYPE "globalopt"
50
51 STATISTIC(NumMarked    , "Number of globals marked constant");
52 STATISTIC(NumUnnamed   , "Number of globals marked unnamed_addr");
53 STATISTIC(NumSRA       , "Number of aggregate globals broken into scalars");
54 STATISTIC(NumHeapSRA   , "Number of heap objects SRA'd");
55 STATISTIC(NumSubstitute,"Number of globals with initializers stored into them");
56 STATISTIC(NumDeleted   , "Number of globals deleted");
57 STATISTIC(NumFnDeleted , "Number of functions deleted");
58 STATISTIC(NumGlobUses  , "Number of global uses devirtualized");
59 STATISTIC(NumLocalized , "Number of globals localized");
60 STATISTIC(NumShrunkToBool  , "Number of global vars shrunk to booleans");
61 STATISTIC(NumFastCallFns   , "Number of functions converted to fastcc");
62 STATISTIC(NumCtorsEvaluated, "Number of static ctors evaluated");
63 STATISTIC(NumNestRemoved   , "Number of nest attributes removed");
64 STATISTIC(NumAliasesResolved, "Number of global aliases resolved");
65 STATISTIC(NumAliasesRemoved, "Number of global aliases eliminated");
66 STATISTIC(NumCXXDtorsRemoved, "Number of global C++ destructors removed");
67
68 namespace {
69   struct GlobalOpt : public ModulePass {
70     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
71       AU.addRequired<TargetLibraryInfo>();
72     }
73     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
74     GlobalOpt() : ModulePass(ID) {
75       initializeGlobalOptPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
76     }
77
78     bool runOnModule(Module &M) override;
79
80   private:
81     bool OptimizeFunctions(Module &M);
82     bool OptimizeGlobalVars(Module &M);
83     bool OptimizeGlobalAliases(Module &M);
84     bool ProcessGlobal(GlobalVariable *GV,Module::global_iterator &GVI);
85     bool ProcessInternalGlobal(GlobalVariable *GV,Module::global_iterator &GVI,
86                                const GlobalStatus &GS);
87     bool OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(Function *CXAAtExitFn);
88
89     const DataLayout *DL;
90     TargetLibraryInfo *TLI;
91   };
92 }
93
94 char GlobalOpt::ID = 0;
95 INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalOpt, "globalopt",
96                 "Global Variable Optimizer", false, false)
97 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
98 INITIALIZE_PASS_END(GlobalOpt, "globalopt",
99                 "Global Variable Optimizer", false, false)
100
101 ModulePass *llvm::createGlobalOptimizerPass() { return new GlobalOpt(); }
102
103 /// isLeakCheckerRoot - Is this global variable possibly used by a leak checker
104 /// as a root?  If so, we might not really want to eliminate the stores to it.
105 static bool isLeakCheckerRoot(GlobalVariable *GV) {
106   // A global variable is a root if it is a pointer, or could plausibly contain
107   // a pointer.  There are two challenges; one is that we could have a struct
108   // the has an inner member which is a pointer.  We recurse through the type to
109   // detect these (up to a point).  The other is that we may actually be a union
110   // of a pointer and another type, and so our LLVM type is an integer which
111   // gets converted into a pointer, or our type is an [i8 x #] with a pointer
112   // potentially contained here.
113
114   if (GV->hasPrivateLinkage())
115     return false;
116
117   SmallVector<Type *, 4> Types;
118   Types.push_back(cast<PointerType>(GV->getType())->getElementType());
119
120   unsigned Limit = 20;
121   do {
122     Type *Ty = Types.pop_back_val();
123     switch (Ty->getTypeID()) {
124       default: break;
125       case Type::PointerTyID: return true;
126       case Type::ArrayTyID:
127       case Type::VectorTyID: {
128         SequentialType *STy = cast<SequentialType>(Ty);
129         Types.push_back(STy->getElementType());
130         break;
131       }
132       case Type::StructTyID: {
133         StructType *STy = cast<StructType>(Ty);
134         if (STy->isOpaque()) return true;
135         for (StructType::element_iterator I = STy->element_begin(),
136                  E = STy->element_end(); I != E; ++I) {
137           Type *InnerTy = *I;
138           if (isa<PointerType>(InnerTy)) return true;
139           if (isa<CompositeType>(InnerTy))
140             Types.push_back(InnerTy);
141         }
142         break;
143       }
144     }
145     if (--Limit == 0) return true;
146   } while (!Types.empty());
147   return false;
148 }
149
150 /// Given a value that is stored to a global but never read, determine whether
151 /// it's safe to remove the store and the chain of computation that feeds the
152 /// store.
153 static bool IsSafeComputationToRemove(Value *V, const TargetLibraryInfo *TLI) {
154   do {
155     if (isa<Constant>(V))
156       return true;
157     if (!V->hasOneUse())
158       return false;
159     if (isa<LoadInst>(V) || isa<InvokeInst>(V) || isa<Argument>(V) ||
160         isa<GlobalValue>(V))
161       return false;
162     if (isAllocationFn(V, TLI))
163       return true;
164
165     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
166     if (I->mayHaveSideEffects())
167       return false;
168     if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
169       if (!GEP->hasAllConstantIndices())
170         return false;
171     } else if (I->getNumOperands() != 1) {
172       return false;
173     }
174
175     V = I->getOperand(0);
176   } while (1);
177 }
178
179 /// CleanupPointerRootUsers - This GV is a pointer root.  Loop over all users
180 /// of the global and clean up any that obviously don't assign the global a
181 /// value that isn't dynamically allocated.
182 ///
183 static bool CleanupPointerRootUsers(GlobalVariable *GV,
184                                     const TargetLibraryInfo *TLI) {
185   // A brief explanation of leak checkers.  The goal is to find bugs where
186   // pointers are forgotten, causing an accumulating growth in memory
187   // usage over time.  The common strategy for leak checkers is to whitelist the
188   // memory pointed to by globals at exit.  This is popular because it also
189   // solves another problem where the main thread of a C++ program may shut down
190   // before other threads that are still expecting to use those globals.  To
191   // handle that case, we expect the program may create a singleton and never
192   // destroy it.
193
194   bool Changed = false;
195
196   // If Dead[n].first is the only use of a malloc result, we can delete its
197   // chain of computation and the store to the global in Dead[n].second.
198   SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 32> Dead;
199
200   // Constants can't be pointers to dynamically allocated memory.
201   for (Value::user_iterator UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end();
202        UI != E;) {
203     User *U = *UI++;
204     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
205       Value *V = SI->getValueOperand();
206       if (isa<Constant>(V)) {
207         Changed = true;
208         SI->eraseFromParent();
209       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
210         if (I->hasOneUse())
211           Dead.push_back(std::make_pair(I, SI));
212       }
213     } else if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(U)) {
214       if (isa<Constant>(MSI->getValue())) {
215         Changed = true;
216         MSI->eraseFromParent();
217       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MSI->getValue())) {
218         if (I->hasOneUse())
219           Dead.push_back(std::make_pair(I, MSI));
220       }
221     } else if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(U)) {
222       GlobalVariable *MemSrc = dyn_cast<GlobalVariable>(MTI->getSource());
223       if (MemSrc && MemSrc->isConstant()) {
224         Changed = true;
225         MTI->eraseFromParent();
226       } else if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(MemSrc)) {
227         if (I->hasOneUse())
228           Dead.push_back(std::make_pair(I, MTI));
229       }
230     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
231       if (CE->use_empty()) {
232         CE->destroyConstant();
233         Changed = true;
234       }
235     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
236       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
237         C->destroyConstant();
238         // This could have invalidated UI, start over from scratch.
239         Dead.clear();
240         CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
241         return true;
242       }
243     }
244   }
245
246   for (int i = 0, e = Dead.size(); i != e; ++i) {
247     if (IsSafeComputationToRemove(Dead[i].first, TLI)) {
248       Dead[i].second->eraseFromParent();
249       Instruction *I = Dead[i].first;
250       do {
251         if (isAllocationFn(I, TLI))
252           break;
253         Instruction *J = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
254         if (!J)
255           break;
256         I->eraseFromParent();
257         I = J;
258       } while (1);
259       I->eraseFromParent();
260     }
261   }
262
263   return Changed;
264 }
265
266 /// CleanupConstantGlobalUsers - We just marked GV constant.  Loop over all
267 /// users of the global, cleaning up the obvious ones.  This is largely just a
268 /// quick scan over the use list to clean up the easy and obvious cruft.  This
269 /// returns true if it made a change.
270 static bool CleanupConstantGlobalUsers(Value *V, Constant *Init,
271                                        const DataLayout *DL,
272                                        TargetLibraryInfo *TLI) {
273   bool Changed = false;
274   // Note that we need to use a weak value handle for the worklist items. When
275   // we delete a constant array, we may also be holding pointer to one of its
276   // elements (or an element of one of its elements if we're dealing with an
277   // array of arrays) in the worklist.
278   SmallVector<WeakVH, 8> WorkList(V->user_begin(), V->user_end());
279   while (!WorkList.empty()) {
280     Value *UV = WorkList.pop_back_val();
281     if (!UV)
282       continue;
283
284     User *U = cast<User>(UV);
285
286     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
287       if (Init) {
288         // Replace the load with the initializer.
289         LI->replaceAllUsesWith(Init);
290         LI->eraseFromParent();
291         Changed = true;
292       }
293     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
294       // Store must be unreachable or storing Init into the global.
295       SI->eraseFromParent();
296       Changed = true;
297     } else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U)) {
298       if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr) {
299         Constant *SubInit = nullptr;
300         if (Init)
301           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
302         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, SubInit, DL, TLI);
303       } else if ((CE->getOpcode() == Instruction::BitCast &&
304                   CE->getType()->isPointerTy()) ||
305                  CE->getOpcode() == Instruction::AddrSpaceCast) {
306         // Pointer cast, delete any stores and memsets to the global.
307         Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(CE, nullptr, DL, TLI);
308       }
309
310       if (CE->use_empty()) {
311         CE->destroyConstant();
312         Changed = true;
313       }
314     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
315       // Do not transform "gepinst (gep constexpr (GV))" here, because forming
316       // "gepconstexpr (gep constexpr (GV))" will cause the two gep's to fold
317       // and will invalidate our notion of what Init is.
318       Constant *SubInit = nullptr;
319       if (!isa<ConstantExpr>(GEP->getOperand(0))) {
320         ConstantExpr *CE =
321           dyn_cast_or_null<ConstantExpr>(ConstantFoldInstruction(GEP, DL, TLI));
322         if (Init && CE && CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
323           SubInit = ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(Init, CE);
324
325         // If the initializer is an all-null value and we have an inbounds GEP,
326         // we already know what the result of any load from that GEP is.
327         // TODO: Handle splats.
328         if (Init && isa<ConstantAggregateZero>(Init) && GEP->isInBounds())
329           SubInit = Constant::getNullValue(GEP->getType()->getElementType());
330       }
331       Changed |= CleanupConstantGlobalUsers(GEP, SubInit, DL, TLI);
332
333       if (GEP->use_empty()) {
334         GEP->eraseFromParent();
335         Changed = true;
336       }
337     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(U)) { // memset/cpy/mv
338       if (MI->getRawDest() == V) {
339         MI->eraseFromParent();
340         Changed = true;
341       }
342
343     } else if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(U)) {
344       // If we have a chain of dead constantexprs or other things dangling from
345       // us, and if they are all dead, nuke them without remorse.
346       if (isSafeToDestroyConstant(C)) {
347         C->destroyConstant();
348         CleanupConstantGlobalUsers(V, Init, DL, TLI);
349         return true;
350       }
351     }
352   }
353   return Changed;
354 }
355
356 /// isSafeSROAElementUse - Return true if the specified instruction is a safe
357 /// user of a derived expression from a global that we want to SROA.
358 static bool isSafeSROAElementUse(Value *V) {
359   // We might have a dead and dangling constant hanging off of here.
360   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
361     return isSafeToDestroyConstant(C);
362
363   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
364   if (!I) return false;
365
366   // Loads are ok.
367   if (isa<LoadInst>(I)) return true;
368
369   // Stores *to* the pointer are ok.
370   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
371     return SI->getOperand(0) != V;
372
373   // Otherwise, it must be a GEP.
374   GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I);
375   if (!GEPI) return false;
376
377   if (GEPI->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEPI->getOperand(1)) ||
378       !cast<Constant>(GEPI->getOperand(1))->isNullValue())
379     return false;
380
381   for (User *U : GEPI->users())
382     if (!isSafeSROAElementUse(U))
383       return false;
384   return true;
385 }
386
387
388 /// IsUserOfGlobalSafeForSRA - U is a direct user of the specified global value.
389 /// Look at it and its uses and decide whether it is safe to SROA this global.
390 ///
391 static bool IsUserOfGlobalSafeForSRA(User *U, GlobalValue *GV) {
392   // The user of the global must be a GEP Inst or a ConstantExpr GEP.
393   if (!isa<GetElementPtrInst>(U) &&
394       (!isa<ConstantExpr>(U) ||
395        cast<ConstantExpr>(U)->getOpcode() != Instruction::GetElementPtr))
396     return false;
397
398   // Check to see if this ConstantExpr GEP is SRA'able.  In particular, we
399   // don't like < 3 operand CE's, and we don't like non-constant integer
400   // indices.  This enforces that all uses are 'gep GV, 0, C, ...' for some
401   // value of C.
402   if (U->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(U->getOperand(1)) ||
403       !cast<Constant>(U->getOperand(1))->isNullValue() ||
404       !isa<ConstantInt>(U->getOperand(2)))
405     return false;
406
407   gep_type_iterator GEPI = gep_type_begin(U), E = gep_type_end(U);
408   ++GEPI;  // Skip over the pointer index.
409
410   // If this is a use of an array allocation, do a bit more checking for sanity.
411   if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI)) {
412     uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
413     ConstantInt *Idx = cast<ConstantInt>(U->getOperand(2));
414
415     // Check to make sure that index falls within the array.  If not,
416     // something funny is going on, so we won't do the optimization.
417     //
418     if (Idx->getZExtValue() >= NumElements)
419       return false;
420
421     // We cannot scalar repl this level of the array unless any array
422     // sub-indices are in-range constants.  In particular, consider:
423     // A[0][i].  We cannot know that the user isn't doing invalid things like
424     // allowing i to index an out-of-range subscript that accesses A[1].
425     //
426     // Scalar replacing *just* the outer index of the array is probably not
427     // going to be a win anyway, so just give up.
428     for (++GEPI; // Skip array index.
429          GEPI != E;
430          ++GEPI) {
431       uint64_t NumElements;
432       if (ArrayType *SubArrayTy = dyn_cast<ArrayType>(*GEPI))
433         NumElements = SubArrayTy->getNumElements();
434       else if (VectorType *SubVectorTy = dyn_cast<VectorType>(*GEPI))
435         NumElements = SubVectorTy->getNumElements();
436       else {
437         assert((*GEPI)->isStructTy() &&
438                "Indexed GEP type is not array, vector, or struct!");
439         continue;
440       }
441
442       ConstantInt *IdxVal = dyn_cast<ConstantInt>(GEPI.getOperand());
443       if (!IdxVal || IdxVal->getZExtValue() >= NumElements)
444         return false;
445     }
446   }
447
448   for (User *UU : U->users())
449     if (!isSafeSROAElementUse(UU))
450       return false;
451
452   return true;
453 }
454
455 /// GlobalUsersSafeToSRA - Look at all uses of the global and decide whether it
456 /// is safe for us to perform this transformation.
457 ///
458 static bool GlobalUsersSafeToSRA(GlobalValue *GV) {
459   for (User *U : GV->users())
460     if (!IsUserOfGlobalSafeForSRA(U, GV))
461       return false;
462
463   return true;
464 }
465
466
467 /// SRAGlobal - Perform scalar replacement of aggregates on the specified global
468 /// variable.  This opens the door for other optimizations by exposing the
469 /// behavior of the program in a more fine-grained way.  We have determined that
470 /// this transformation is safe already.  We return the first global variable we
471 /// insert so that the caller can reprocess it.
472 static GlobalVariable *SRAGlobal(GlobalVariable *GV, const DataLayout &DL) {
473   // Make sure this global only has simple uses that we can SRA.
474   if (!GlobalUsersSafeToSRA(GV))
475     return nullptr;
476
477   assert(GV->hasLocalLinkage() && !GV->isConstant());
478   Constant *Init = GV->getInitializer();
479   Type *Ty = Init->getType();
480
481   std::vector<GlobalVariable*> NewGlobals;
482   Module::GlobalListType &Globals = GV->getParent()->getGlobalList();
483
484   // Get the alignment of the global, either explicit or target-specific.
485   unsigned StartAlignment = GV->getAlignment();
486   if (StartAlignment == 0)
487     StartAlignment = DL.getABITypeAlignment(GV->getType());
488
489   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
490     NewGlobals.reserve(STy->getNumElements());
491     const StructLayout &Layout = *DL.getStructLayout(STy);
492     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i) {
493       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
494       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
495       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(i), false,
496                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
497                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
498                                                GV->getThreadLocalMode(),
499                                               GV->getType()->getAddressSpace());
500       Globals.insert(GV, NGV);
501       NewGlobals.push_back(NGV);
502
503       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
504       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
505       // propagate info to each field.
506       uint64_t FieldOffset = Layout.getElementOffset(i);
507       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, FieldOffset);
508       if (NewAlign > DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType(i)))
509         NGV->setAlignment(NewAlign);
510     }
511   } else if (SequentialType *STy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
512     unsigned NumElements = 0;
513     if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(STy))
514       NumElements = ATy->getNumElements();
515     else
516       NumElements = cast<VectorType>(STy)->getNumElements();
517
518     if (NumElements > 16 && GV->hasNUsesOrMore(16))
519       return nullptr; // It's not worth it.
520     NewGlobals.reserve(NumElements);
521
522     uint64_t EltSize = DL.getTypeAllocSize(STy->getElementType());
523     unsigned EltAlign = DL.getABITypeAlignment(STy->getElementType());
524     for (unsigned i = 0, e = NumElements; i != e; ++i) {
525       Constant *In = Init->getAggregateElement(i);
526       assert(In && "Couldn't get element of initializer?");
527
528       GlobalVariable *NGV = new GlobalVariable(STy->getElementType(), false,
529                                                GlobalVariable::InternalLinkage,
530                                                In, GV->getName()+"."+Twine(i),
531                                                GV->getThreadLocalMode(),
532                                               GV->getType()->getAddressSpace());
533       Globals.insert(GV, NGV);
534       NewGlobals.push_back(NGV);
535
536       // Calculate the known alignment of the field.  If the original aggregate
537       // had 256 byte alignment for example, something might depend on that:
538       // propagate info to each field.
539       unsigned NewAlign = (unsigned)MinAlign(StartAlignment, EltSize*i);
540       if (NewAlign > EltAlign)
541         NGV->setAlignment(NewAlign);
542     }
543   }
544
545   if (NewGlobals.empty())
546     return nullptr;
547
548   DEBUG(dbgs() << "PERFORMING GLOBAL SRA ON: " << *GV);
549
550   Constant *NullInt =Constant::getNullValue(Type::getInt32Ty(GV->getContext()));
551
552   // Loop over all of the uses of the global, replacing the constantexpr geps,
553   // with smaller constantexpr geps or direct references.
554   while (!GV->use_empty()) {
555     User *GEP = GV->user_back();
556     assert(((isa<ConstantExpr>(GEP) &&
557              cast<ConstantExpr>(GEP)->getOpcode()==Instruction::GetElementPtr)||
558             isa<GetElementPtrInst>(GEP)) && "NonGEP CE's are not SRAable!");
559
560     // Ignore the 1th operand, which has to be zero or else the program is quite
561     // broken (undefined).  Get the 2nd operand, which is the structure or array
562     // index.
563     unsigned Val = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
564     if (Val >= NewGlobals.size()) Val = 0; // Out of bound array access.
565
566     Value *NewPtr = NewGlobals[Val];
567
568     // Form a shorter GEP if needed.
569     if (GEP->getNumOperands() > 3) {
570       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GEP)) {
571         SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
572         Idxs.push_back(NullInt);
573         for (unsigned i = 3, e = CE->getNumOperands(); i != e; ++i)
574           Idxs.push_back(CE->getOperand(i));
575         NewPtr = ConstantExpr::getGetElementPtr(cast<Constant>(NewPtr), Idxs);
576       } else {
577         GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(GEP);
578         SmallVector<Value*, 8> Idxs;
579         Idxs.push_back(NullInt);
580         for (unsigned i = 3, e = GEPI->getNumOperands(); i != e; ++i)
581           Idxs.push_back(GEPI->getOperand(i));
582         NewPtr = GetElementPtrInst::Create(NewPtr, Idxs,
583                                            GEPI->getName()+"."+Twine(Val),GEPI);
584       }
585     }
586     GEP->replaceAllUsesWith(NewPtr);
587
588     if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(GEP))
589       GEPI->eraseFromParent();
590     else
591       cast<ConstantExpr>(GEP)->destroyConstant();
592   }
593
594   // Delete the old global, now that it is dead.
595   Globals.erase(GV);
596   ++NumSRA;
597
598   // Loop over the new globals array deleting any globals that are obviously
599   // dead.  This can arise due to scalarization of a structure or an array that
600   // has elements that are dead.
601   unsigned FirstGlobal = 0;
602   for (unsigned i = 0, e = NewGlobals.size(); i != e; ++i)
603     if (NewGlobals[i]->use_empty()) {
604       Globals.erase(NewGlobals[i]);
605       if (FirstGlobal == i) ++FirstGlobal;
606     }
607
608   return FirstGlobal != NewGlobals.size() ? NewGlobals[FirstGlobal] : nullptr;
609 }
610
611 /// AllUsesOfValueWillTrapIfNull - Return true if all users of the specified
612 /// value will trap if the value is dynamically null.  PHIs keeps track of any
613 /// phi nodes we've seen to avoid reprocessing them.
614 static bool AllUsesOfValueWillTrapIfNull(const Value *V,
615                                          SmallPtrSet<const PHINode*, 8> &PHIs) {
616   for (const User *U : V->users())
617     if (isa<LoadInst>(U)) {
618       // Will trap.
619     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
620       if (SI->getOperand(0) == V) {
621         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
622         return false;  // Storing the value.
623       }
624     } else if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(U)) {
625       if (CI->getCalledValue() != V) {
626         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
627         return false;  // Not calling the ptr
628       }
629     } else if (const InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(U)) {
630       if (II->getCalledValue() != V) {
631         //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
632         return false;  // Not calling the ptr
633       }
634     } else if (const BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
635       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(CI, PHIs)) return false;
636     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
637       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(GEPI, PHIs)) return false;
638     } else if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
639       // If we've already seen this phi node, ignore it, it has already been
640       // checked.
641       if (PHIs.insert(PN) && !AllUsesOfValueWillTrapIfNull(PN, PHIs))
642         return false;
643     } else if (isa<ICmpInst>(U) &&
644                isa<ConstantPointerNull>(U->getOperand(1))) {
645       // Ignore icmp X, null
646     } else {
647       //cerr << "NONTRAPPING USE: " << *U;
648       return false;
649     }
650
651   return true;
652 }
653
654 /// AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull - Return true if all uses of any loads
655 /// from GV will trap if the loaded value is null.  Note that this also permits
656 /// comparisons of the loaded value against null, as a special case.
657 static bool AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(const GlobalVariable *GV) {
658   for (const User *U : GV->users())
659     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
660       SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
661       if (!AllUsesOfValueWillTrapIfNull(LI, PHIs))
662         return false;
663     } else if (isa<StoreInst>(U)) {
664       // Ignore stores to the global.
665     } else {
666       // We don't know or understand this user, bail out.
667       //cerr << "UNKNOWN USER OF GLOBAL!: " << *U;
668       return false;
669     }
670   return true;
671 }
672
673 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(Value *V, Constant *NewV) {
674   bool Changed = false;
675   for (auto UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; ) {
676     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI++);
677     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
678       LI->setOperand(0, NewV);
679       Changed = true;
680     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
681       if (SI->getOperand(1) == V) {
682         SI->setOperand(1, NewV);
683         Changed = true;
684       }
685     } else if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) {
686       CallSite CS(I);
687       if (CS.getCalledValue() == V) {
688         // Calling through the pointer!  Turn into a direct call, but be careful
689         // that the pointer is not also being passed as an argument.
690         CS.setCalledFunction(NewV);
691         Changed = true;
692         bool PassedAsArg = false;
693         for (unsigned i = 0, e = CS.arg_size(); i != e; ++i)
694           if (CS.getArgument(i) == V) {
695             PassedAsArg = true;
696             CS.setArgument(i, NewV);
697           }
698
699         if (PassedAsArg) {
700           // Being passed as an argument also.  Be careful to not invalidate UI!
701           UI = V->user_begin();
702         }
703       }
704     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(I)) {
705       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(CI,
706                                 ConstantExpr::getCast(CI->getOpcode(),
707                                                       NewV, CI->getType()));
708       if (CI->use_empty()) {
709         Changed = true;
710         CI->eraseFromParent();
711       }
712     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
713       // Should handle GEP here.
714       SmallVector<Constant*, 8> Idxs;
715       Idxs.reserve(GEPI->getNumOperands()-1);
716       for (User::op_iterator i = GEPI->op_begin() + 1, e = GEPI->op_end();
717            i != e; ++i)
718         if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*i))
719           Idxs.push_back(C);
720         else
721           break;
722       if (Idxs.size() == GEPI->getNumOperands()-1)
723         Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(GEPI,
724                           ConstantExpr::getGetElementPtr(NewV, Idxs));
725       if (GEPI->use_empty()) {
726         Changed = true;
727         GEPI->eraseFromParent();
728       }
729     }
730   }
731
732   return Changed;
733 }
734
735
736 /// OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads - The specified global has only one non-null
737 /// value stored into it.  If there are uses of the loaded value that would trap
738 /// if the loaded value is dynamically null, then we know that they cannot be
739 /// reachable with a null optimize away the load.
740 static bool OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GlobalVariable *GV, Constant *LV,
741                                             const DataLayout *DL,
742                                             TargetLibraryInfo *TLI) {
743   bool Changed = false;
744
745   // Keep track of whether we are able to remove all the uses of the global
746   // other than the store that defines it.
747   bool AllNonStoreUsesGone = true;
748
749   // Replace all uses of loads with uses of uses of the stored value.
750   for (Value::user_iterator GUI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); GUI != E;){
751     User *GlobalUser = *GUI++;
752     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(GlobalUser)) {
753       Changed |= OptimizeAwayTrappingUsesOfValue(LI, LV);
754       // If we were able to delete all uses of the loads
755       if (LI->use_empty()) {
756         LI->eraseFromParent();
757         Changed = true;
758       } else {
759         AllNonStoreUsesGone = false;
760       }
761     } else if (isa<StoreInst>(GlobalUser)) {
762       // Ignore the store that stores "LV" to the global.
763       assert(GlobalUser->getOperand(1) == GV &&
764              "Must be storing *to* the global");
765     } else {
766       AllNonStoreUsesGone = false;
767
768       // If we get here we could have other crazy uses that are transitively
769       // loaded.
770       assert((isa<PHINode>(GlobalUser) || isa<SelectInst>(GlobalUser) ||
771               isa<ConstantExpr>(GlobalUser) || isa<CmpInst>(GlobalUser) ||
772               isa<BitCastInst>(GlobalUser) ||
773               isa<GetElementPtrInst>(GlobalUser)) &&
774              "Only expect load and stores!");
775     }
776   }
777
778   if (Changed) {
779     DEBUG(dbgs() << "OPTIMIZED LOADS FROM STORED ONCE POINTER: " << *GV);
780     ++NumGlobUses;
781   }
782
783   // If we nuked all of the loads, then none of the stores are needed either,
784   // nor is the global.
785   if (AllNonStoreUsesGone) {
786     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
787       Changed |= CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
788     } else {
789       Changed = true;
790       CleanupConstantGlobalUsers(GV, nullptr, DL, TLI);
791     }
792     if (GV->use_empty()) {
793       DEBUG(dbgs() << "  *** GLOBAL NOW DEAD!\n");
794       Changed = true;
795       GV->eraseFromParent();
796       ++NumDeleted;
797     }
798   }
799   return Changed;
800 }
801
802 /// ConstantPropUsersOf - Walk the use list of V, constant folding all of the
803 /// instructions that are foldable.
804 static void ConstantPropUsersOf(Value *V, const DataLayout *DL,
805                                 TargetLibraryInfo *TLI) {
806   for (Value::user_iterator UI = V->user_begin(), E = V->user_end(); UI != E; )
807     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(*UI++))
808       if (Constant *NewC = ConstantFoldInstruction(I, DL, TLI)) {
809         I->replaceAllUsesWith(NewC);
810
811         // Advance UI to the next non-I use to avoid invalidating it!
812         // Instructions could multiply use V.
813         while (UI != E && *UI == I)
814           ++UI;
815         I->eraseFromParent();
816       }
817 }
818
819 /// OptimizeGlobalAddressOfMalloc - This function takes the specified global
820 /// variable, and transforms the program as if it always contained the result of
821 /// the specified malloc.  Because it is always the result of the specified
822 /// malloc, there is no reason to actually DO the malloc.  Instead, turn the
823 /// malloc into a global, and any loads of GV as uses of the new global.
824 static GlobalVariable *OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GlobalVariable *GV,
825                                                      CallInst *CI,
826                                                      Type *AllocTy,
827                                                      ConstantInt *NElements,
828                                                      const DataLayout *DL,
829                                                      TargetLibraryInfo *TLI) {
830   DEBUG(errs() << "PROMOTING GLOBAL: " << *GV << "  CALL = " << *CI << '\n');
831
832   Type *GlobalType;
833   if (NElements->getZExtValue() == 1)
834     GlobalType = AllocTy;
835   else
836     // If we have an array allocation, the global variable is of an array.
837     GlobalType = ArrayType::get(AllocTy, NElements->getZExtValue());
838
839   // Create the new global variable.  The contents of the malloc'd memory is
840   // undefined, so initialize with an undef value.
841   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(*GV->getParent(),
842                                              GlobalType, false,
843                                              GlobalValue::InternalLinkage,
844                                              UndefValue::get(GlobalType),
845                                              GV->getName()+".body",
846                                              GV,
847                                              GV->getThreadLocalMode());
848
849   // If there are bitcast users of the malloc (which is typical, usually we have
850   // a malloc + bitcast) then replace them with uses of the new global.  Update
851   // other users to use the global as well.
852   BitCastInst *TheBC = nullptr;
853   while (!CI->use_empty()) {
854     Instruction *User = cast<Instruction>(CI->user_back());
855     if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
856       if (BCI->getType() == NewGV->getType()) {
857         BCI->replaceAllUsesWith(NewGV);
858         BCI->eraseFromParent();
859       } else {
860         BCI->setOperand(0, NewGV);
861       }
862     } else {
863       if (!TheBC)
864         TheBC = new BitCastInst(NewGV, CI->getType(), "newgv", CI);
865       User->replaceUsesOfWith(CI, TheBC);
866     }
867   }
868
869   Constant *RepValue = NewGV;
870   if (NewGV->getType() != GV->getType()->getElementType())
871     RepValue = ConstantExpr::getBitCast(RepValue,
872                                         GV->getType()->getElementType());
873
874   // If there is a comparison against null, we will insert a global bool to
875   // keep track of whether the global was initialized yet or not.
876   GlobalVariable *InitBool =
877     new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()), false,
878                        GlobalValue::InternalLinkage,
879                        ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
880                        GV->getName()+".init", GV->getThreadLocalMode());
881   bool InitBoolUsed = false;
882
883   // Loop over all uses of GV, processing them in turn.
884   while (!GV->use_empty()) {
885     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GV->user_back())) {
886       // The global is initialized when the store to it occurs.
887       new StoreInst(ConstantInt::getTrue(GV->getContext()), InitBool, false, 0,
888                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
889       SI->eraseFromParent();
890       continue;
891     }
892
893     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(GV->user_back());
894     while (!LI->use_empty()) {
895       Use &LoadUse = *LI->use_begin();
896       ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUse.getUser());
897       if (!ICI) {
898         LoadUse = RepValue;
899         continue;
900       }
901
902       // Replace the cmp X, 0 with a use of the bool value.
903       // Sink the load to where the compare was, if atomic rules allow us to.
904       Value *LV = new LoadInst(InitBool, InitBool->getName()+".val", false, 0,
905                                LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(),
906                                LI->isUnordered() ? (Instruction*)ICI : LI);
907       InitBoolUsed = true;
908       switch (ICI->getPredicate()) {
909       default: llvm_unreachable("Unknown ICmp Predicate!");
910       case ICmpInst::ICMP_ULT:
911       case ICmpInst::ICMP_SLT:   // X < null -> always false
912         LV = ConstantInt::getFalse(GV->getContext());
913         break;
914       case ICmpInst::ICMP_ULE:
915       case ICmpInst::ICMP_SLE:
916       case ICmpInst::ICMP_EQ:
917         LV = BinaryOperator::CreateNot(LV, "notinit", ICI);
918         break;
919       case ICmpInst::ICMP_NE:
920       case ICmpInst::ICMP_UGE:
921       case ICmpInst::ICMP_SGE:
922       case ICmpInst::ICMP_UGT:
923       case ICmpInst::ICMP_SGT:
924         break;  // no change.
925       }
926       ICI->replaceAllUsesWith(LV);
927       ICI->eraseFromParent();
928     }
929     LI->eraseFromParent();
930   }
931
932   // If the initialization boolean was used, insert it, otherwise delete it.
933   if (!InitBoolUsed) {
934     while (!InitBool->use_empty())  // Delete initializations
935       cast<StoreInst>(InitBool->user_back())->eraseFromParent();
936     delete InitBool;
937   } else
938     GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV, InitBool);
939
940   // Now the GV is dead, nuke it and the malloc..
941   GV->eraseFromParent();
942   CI->eraseFromParent();
943
944   // To further other optimizations, loop over all users of NewGV and try to
945   // constant prop them.  This will promote GEP instructions with constant
946   // indices into GEP constant-exprs, which will allow global-opt to hack on it.
947   ConstantPropUsersOf(NewGV, DL, TLI);
948   if (RepValue != NewGV)
949     ConstantPropUsersOf(RepValue, DL, TLI);
950
951   return NewGV;
952 }
953
954 /// ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal - Scan the use-list of V checking
955 /// to make sure that there are no complex uses of V.  We permit simple things
956 /// like dereferencing the pointer, but not storing through the address, unless
957 /// it is to the specified global.
958 static bool ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(const Instruction *V,
959                                                       const GlobalVariable *GV,
960                                          SmallPtrSet<const PHINode*, 8> &PHIs) {
961   for (const User *U : V->users()) {
962     const Instruction *Inst = cast<Instruction>(U);
963
964     if (isa<LoadInst>(Inst) || isa<CmpInst>(Inst)) {
965       continue; // Fine, ignore.
966     }
967
968     if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
969       if (SI->getOperand(0) == V && SI->getOperand(1) != GV)
970         return false;  // Storing the pointer itself... bad.
971       continue; // Otherwise, storing through it, or storing into GV... fine.
972     }
973
974     // Must index into the array and into the struct.
975     if (isa<GetElementPtrInst>(Inst) && Inst->getNumOperands() >= 3) {
976       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(Inst, GV, PHIs))
977         return false;
978       continue;
979     }
980
981     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Inst)) {
982       // PHIs are ok if all uses are ok.  Don't infinitely recurse through PHI
983       // cycles.
984       if (PHIs.insert(PN))
985         if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(PN, GV, PHIs))
986           return false;
987       continue;
988     }
989
990     if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Inst)) {
991       if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(BCI, GV, PHIs))
992         return false;
993       continue;
994     }
995
996     return false;
997   }
998   return true;
999 }
1000
1001 /// ReplaceUsesOfMallocWithGlobal - The Alloc pointer is stored into GV
1002 /// somewhere.  Transform all uses of the allocation into loads from the
1003 /// global and uses of the resultant pointer.  Further, delete the store into
1004 /// GV.  This assumes that these value pass the
1005 /// 'ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal' predicate.
1006 static void ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(Instruction *Alloc,
1007                                           GlobalVariable *GV) {
1008   while (!Alloc->use_empty()) {
1009     Instruction *U = cast<Instruction>(*Alloc->user_begin());
1010     Instruction *InsertPt = U;
1011     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
1012       // If this is the store of the allocation into the global, remove it.
1013       if (SI->getOperand(1) == GV) {
1014         SI->eraseFromParent();
1015         continue;
1016       }
1017     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1018       // Insert the load in the corresponding predecessor, not right before the
1019       // PHI.
1020       InsertPt = PN->getIncomingBlock(*Alloc->use_begin())->getTerminator();
1021     } else if (isa<BitCastInst>(U)) {
1022       // Must be bitcast between the malloc and store to initialize the global.
1023       ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(U, GV);
1024       U->eraseFromParent();
1025       continue;
1026     } else if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
1027       // If this is a "GEP bitcast" and the user is a store to the global, then
1028       // just process it as a bitcast.
1029       if (GEPI->hasAllZeroIndices() && GEPI->hasOneUse())
1030         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(GEPI->user_back()))
1031           if (SI->getOperand(1) == GV) {
1032             // Must be bitcast GEP between the malloc and store to initialize
1033             // the global.
1034             ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(GEPI, GV);
1035             GEPI->eraseFromParent();
1036             continue;
1037           }
1038     }
1039
1040     // Insert a load from the global, and use it instead of the malloc.
1041     Value *NL = new LoadInst(GV, GV->getName()+".val", InsertPt);
1042     U->replaceUsesOfWith(Alloc, NL);
1043   }
1044 }
1045
1046 /// LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA - Verify that all uses of V (a load, or a phi
1047 /// of a load) are simple enough to perform heap SRA on.  This permits GEP's
1048 /// that index through the array and struct field, icmps of null, and PHIs.
1049 static bool LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const Value *V,
1050                         SmallPtrSet<const PHINode*, 32> &LoadUsingPHIs,
1051                         SmallPtrSet<const PHINode*, 32> &LoadUsingPHIsPerLoad) {
1052   // We permit two users of the load: setcc comparing against the null
1053   // pointer, and a getelementptr of a specific form.
1054   for (const User *U : V->users()) {
1055     const Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
1056
1057     // Comparison against null is ok.
1058     if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UI)) {
1059       if (!isa<ConstantPointerNull>(ICI->getOperand(1)))
1060         return false;
1061       continue;
1062     }
1063
1064     // getelementptr is also ok, but only a simple form.
1065     if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(UI)) {
1066       // Must index into the array and into the struct.
1067       if (GEPI->getNumOperands() < 3)
1068         return false;
1069
1070       // Otherwise the GEP is ok.
1071       continue;
1072     }
1073
1074     if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UI)) {
1075       if (!LoadUsingPHIsPerLoad.insert(PN))
1076         // This means some phi nodes are dependent on each other.
1077         // Avoid infinite looping!
1078         return false;
1079       if (!LoadUsingPHIs.insert(PN))
1080         // If we have already analyzed this PHI, then it is safe.
1081         continue;
1082
1083       // Make sure all uses of the PHI are simple enough to transform.
1084       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(PN,
1085                                           LoadUsingPHIs, LoadUsingPHIsPerLoad))
1086         return false;
1087
1088       continue;
1089     }
1090
1091     // Otherwise we don't know what this is, not ok.
1092     return false;
1093   }
1094
1095   return true;
1096 }
1097
1098
1099 /// AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA - If all users of values loaded from
1100 /// GV are simple enough to perform HeapSRA, return true.
1101 static bool AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(const GlobalVariable *GV,
1102                                                     Instruction *StoredVal) {
1103   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIs;
1104   SmallPtrSet<const PHINode*, 32> LoadUsingPHIsPerLoad;
1105   for (const User *U : GV->users())
1106     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
1107       if (!LoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(LI, LoadUsingPHIs,
1108                                           LoadUsingPHIsPerLoad))
1109         return false;
1110       LoadUsingPHIsPerLoad.clear();
1111     }
1112
1113   // If we reach here, we know that all uses of the loads and transitive uses
1114   // (through PHI nodes) are simple enough to transform.  However, we don't know
1115   // that all inputs the to the PHI nodes are in the same equivalence sets.
1116   // Check to verify that all operands of the PHIs are either PHIS that can be
1117   // transformed, loads from GV, or MI itself.
1118   for (SmallPtrSet<const PHINode*, 32>::const_iterator I = LoadUsingPHIs.begin()
1119        , E = LoadUsingPHIs.end(); I != E; ++I) {
1120     const PHINode *PN = *I;
1121     for (unsigned op = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); op != e; ++op) {
1122       Value *InVal = PN->getIncomingValue(op);
1123
1124       // PHI of the stored value itself is ok.
1125       if (InVal == StoredVal) continue;
1126
1127       if (const PHINode *InPN = dyn_cast<PHINode>(InVal)) {
1128         // One of the PHIs in our set is (optimistically) ok.
1129         if (LoadUsingPHIs.count(InPN))
1130           continue;
1131         return false;
1132       }
1133
1134       // Load from GV is ok.
1135       if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(InVal))
1136         if (LI->getOperand(0) == GV)
1137           continue;
1138
1139       // UNDEF? NULL?
1140
1141       // Anything else is rejected.
1142       return false;
1143     }
1144   }
1145
1146   return true;
1147 }
1148
1149 static Value *GetHeapSROAValue(Value *V, unsigned FieldNo,
1150                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1151                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1152   std::vector<Value*> &FieldVals = InsertedScalarizedValues[V];
1153
1154   if (FieldNo >= FieldVals.size())
1155     FieldVals.resize(FieldNo+1);
1156
1157   // If we already have this value, just reuse the previously scalarized
1158   // version.
1159   if (Value *FieldVal = FieldVals[FieldNo])
1160     return FieldVal;
1161
1162   // Depending on what instruction this is, we have several cases.
1163   Value *Result;
1164   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(V)) {
1165     // This is a scalarized version of the load from the global.  Just create
1166     // a new Load of the scalarized global.
1167     Result = new LoadInst(GetHeapSROAValue(LI->getOperand(0), FieldNo,
1168                                            InsertedScalarizedValues,
1169                                            PHIsToRewrite),
1170                           LI->getName()+".f"+Twine(FieldNo), LI);
1171   } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(V)) {
1172     // PN's type is pointer to struct.  Make a new PHI of pointer to struct
1173     // field.
1174
1175     PointerType *PTy = cast<PointerType>(PN->getType());
1176     StructType *ST = cast<StructType>(PTy->getElementType());
1177
1178     unsigned AS = PTy->getAddressSpace();
1179     PHINode *NewPN =
1180       PHINode::Create(PointerType::get(ST->getElementType(FieldNo), AS),
1181                      PN->getNumIncomingValues(),
1182                      PN->getName()+".f"+Twine(FieldNo), PN);
1183     Result = NewPN;
1184     PHIsToRewrite.push_back(std::make_pair(PN, FieldNo));
1185   } else {
1186     llvm_unreachable("Unknown usable value");
1187   }
1188
1189   return FieldVals[FieldNo] = Result;
1190 }
1191
1192 /// RewriteHeapSROALoadUser - Given a load instruction and a value derived from
1193 /// the load, rewrite the derived value to use the HeapSRoA'd load.
1194 static void RewriteHeapSROALoadUser(Instruction *LoadUser,
1195              DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1196                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1197   // If this is a comparison against null, handle it.
1198   if (ICmpInst *SCI = dyn_cast<ICmpInst>(LoadUser)) {
1199     assert(isa<ConstantPointerNull>(SCI->getOperand(1)));
1200     // If we have a setcc of the loaded pointer, we can use a setcc of any
1201     // field.
1202     Value *NPtr = GetHeapSROAValue(SCI->getOperand(0), 0,
1203                                    InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1204
1205     Value *New = new ICmpInst(SCI, SCI->getPredicate(), NPtr,
1206                               Constant::getNullValue(NPtr->getType()),
1207                               SCI->getName());
1208     SCI->replaceAllUsesWith(New);
1209     SCI->eraseFromParent();
1210     return;
1211   }
1212
1213   // Handle 'getelementptr Ptr, Idx, i32 FieldNo ...'
1214   if (GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LoadUser)) {
1215     assert(GEPI->getNumOperands() >= 3 && isa<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))
1216            && "Unexpected GEPI!");
1217
1218     // Load the pointer for this field.
1219     unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue();
1220     Value *NewPtr = GetHeapSROAValue(GEPI->getOperand(0), FieldNo,
1221                                      InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1222
1223     // Create the new GEP idx vector.
1224     SmallVector<Value*, 8> GEPIdx;
1225     GEPIdx.push_back(GEPI->getOperand(1));
1226     GEPIdx.append(GEPI->op_begin()+3, GEPI->op_end());
1227
1228     Value *NGEPI = GetElementPtrInst::Create(NewPtr, GEPIdx,
1229                                              GEPI->getName(), GEPI);
1230     GEPI->replaceAllUsesWith(NGEPI);
1231     GEPI->eraseFromParent();
1232     return;
1233   }
1234
1235   // Recursively transform the users of PHI nodes.  This will lazily create the
1236   // PHIs that are needed for individual elements.  Keep track of what PHIs we
1237   // see in InsertedScalarizedValues so that we don't get infinite loops (very
1238   // antisocial).  If the PHI is already in InsertedScalarizedValues, it has
1239   // already been seen first by another load, so its uses have already been
1240   // processed.
1241   PHINode *PN = cast<PHINode>(LoadUser);
1242   if (!InsertedScalarizedValues.insert(std::make_pair(PN,
1243                                               std::vector<Value*>())).second)
1244     return;
1245
1246   // If this is the first time we've seen this PHI, recursively process all
1247   // users.
1248   for (auto UI = PN->user_begin(), E = PN->user_end(); UI != E;) {
1249     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1250     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1251   }
1252 }
1253
1254 /// RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA - We are performing Heap SRoA on a global.  Ptr
1255 /// is a value loaded from the global.  Eliminate all uses of Ptr, making them
1256 /// use FieldGlobals instead.  All uses of loaded values satisfy
1257 /// AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA.
1258 static void RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LoadInst *Load,
1259                DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > &InsertedScalarizedValues,
1260                    std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > &PHIsToRewrite) {
1261   for (auto UI = Load->user_begin(), E = Load->user_end(); UI != E;) {
1262     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1263     RewriteHeapSROALoadUser(User, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1264   }
1265
1266   if (Load->use_empty()) {
1267     Load->eraseFromParent();
1268     InsertedScalarizedValues.erase(Load);
1269   }
1270 }
1271
1272 /// PerformHeapAllocSRoA - CI is an allocation of an array of structures.  Break
1273 /// it up into multiple allocations of arrays of the fields.
1274 static GlobalVariable *PerformHeapAllocSRoA(GlobalVariable *GV, CallInst *CI,
1275                                             Value *NElems, const DataLayout *DL,
1276                                             const TargetLibraryInfo *TLI) {
1277   DEBUG(dbgs() << "SROA HEAP ALLOC: " << *GV << "  MALLOC = " << *CI << '\n');
1278   Type *MAT = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1279   StructType *STy = cast<StructType>(MAT);
1280
1281   // There is guaranteed to be at least one use of the malloc (storing
1282   // it into GV).  If there are other uses, change them to be uses of
1283   // the global to simplify later code.  This also deletes the store
1284   // into GV.
1285   ReplaceUsesOfMallocWithGlobal(CI, GV);
1286
1287   // Okay, at this point, there are no users of the malloc.  Insert N
1288   // new mallocs at the same place as CI, and N globals.
1289   std::vector<Value*> FieldGlobals;
1290   std::vector<Value*> FieldMallocs;
1291
1292   unsigned AS = GV->getType()->getPointerAddressSpace();
1293   for (unsigned FieldNo = 0, e = STy->getNumElements(); FieldNo != e;++FieldNo){
1294     Type *FieldTy = STy->getElementType(FieldNo);
1295     PointerType *PFieldTy = PointerType::get(FieldTy, AS);
1296
1297     GlobalVariable *NGV =
1298       new GlobalVariable(*GV->getParent(),
1299                          PFieldTy, false, GlobalValue::InternalLinkage,
1300                          Constant::getNullValue(PFieldTy),
1301                          GV->getName() + ".f" + Twine(FieldNo), GV,
1302                          GV->getThreadLocalMode());
1303     FieldGlobals.push_back(NGV);
1304
1305     unsigned TypeSize = DL->getTypeAllocSize(FieldTy);
1306     if (StructType *ST = dyn_cast<StructType>(FieldTy))
1307       TypeSize = DL->getStructLayout(ST)->getSizeInBytes();
1308     Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(CI->getType());
1309     Value *NMI = CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, FieldTy,
1310                                         ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize),
1311                                         NElems, nullptr,
1312                                         CI->getName() + ".f" + Twine(FieldNo));
1313     FieldMallocs.push_back(NMI);
1314     new StoreInst(NMI, NGV, CI);
1315   }
1316
1317   // The tricky aspect of this transformation is handling the case when malloc
1318   // fails.  In the original code, malloc failing would set the result pointer
1319   // of malloc to null.  In this case, some mallocs could succeed and others
1320   // could fail.  As such, we emit code that looks like this:
1321   //    F0 = malloc(field0)
1322   //    F1 = malloc(field1)
1323   //    F2 = malloc(field2)
1324   //    if (F0 == 0 || F1 == 0 || F2 == 0) {
1325   //      if (F0) { free(F0); F0 = 0; }
1326   //      if (F1) { free(F1); F1 = 0; }
1327   //      if (F2) { free(F2); F2 = 0; }
1328   //    }
1329   // The malloc can also fail if its argument is too large.
1330   Constant *ConstantZero = ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 0);
1331   Value *RunningOr = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_SLT, CI->getArgOperand(0),
1332                                   ConstantZero, "isneg");
1333   for (unsigned i = 0, e = FieldMallocs.size(); i != e; ++i) {
1334     Value *Cond = new ICmpInst(CI, ICmpInst::ICMP_EQ, FieldMallocs[i],
1335                              Constant::getNullValue(FieldMallocs[i]->getType()),
1336                                "isnull");
1337     RunningOr = BinaryOperator::CreateOr(RunningOr, Cond, "tmp", CI);
1338   }
1339
1340   // Split the basic block at the old malloc.
1341   BasicBlock *OrigBB = CI->getParent();
1342   BasicBlock *ContBB = OrigBB->splitBasicBlock(CI, "malloc_cont");
1343
1344   // Create the block to check the first condition.  Put all these blocks at the
1345   // end of the function as they are unlikely to be executed.
1346   BasicBlock *NullPtrBlock = BasicBlock::Create(OrigBB->getContext(),
1347                                                 "malloc_ret_null",
1348                                                 OrigBB->getParent());
1349
1350   // Remove the uncond branch from OrigBB to ContBB, turning it into a cond
1351   // branch on RunningOr.
1352   OrigBB->getTerminator()->eraseFromParent();
1353   BranchInst::Create(NullPtrBlock, ContBB, RunningOr, OrigBB);
1354
1355   // Within the NullPtrBlock, we need to emit a comparison and branch for each
1356   // pointer, because some may be null while others are not.
1357   for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1358     Value *GVVal = new LoadInst(FieldGlobals[i], "tmp", NullPtrBlock);
1359     Value *Cmp = new ICmpInst(*NullPtrBlock, ICmpInst::ICMP_NE, GVVal,
1360                               Constant::getNullValue(GVVal->getType()));
1361     BasicBlock *FreeBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "free_it",
1362                                                OrigBB->getParent());
1363     BasicBlock *NextBlock = BasicBlock::Create(Cmp->getContext(), "next",
1364                                                OrigBB->getParent());
1365     Instruction *BI = BranchInst::Create(FreeBlock, NextBlock,
1366                                          Cmp, NullPtrBlock);
1367
1368     // Fill in FreeBlock.
1369     CallInst::CreateFree(GVVal, BI);
1370     new StoreInst(Constant::getNullValue(GVVal->getType()), FieldGlobals[i],
1371                   FreeBlock);
1372     BranchInst::Create(NextBlock, FreeBlock);
1373
1374     NullPtrBlock = NextBlock;
1375   }
1376
1377   BranchInst::Create(ContBB, NullPtrBlock);
1378
1379   // CI is no longer needed, remove it.
1380   CI->eraseFromParent();
1381
1382   /// InsertedScalarizedLoads - As we process loads, if we can't immediately
1383   /// update all uses of the load, keep track of what scalarized loads are
1384   /// inserted for a given load.
1385   DenseMap<Value*, std::vector<Value*> > InsertedScalarizedValues;
1386   InsertedScalarizedValues[GV] = FieldGlobals;
1387
1388   std::vector<std::pair<PHINode*, unsigned> > PHIsToRewrite;
1389
1390   // Okay, the malloc site is completely handled.  All of the uses of GV are now
1391   // loads, and all uses of those loads are simple.  Rewrite them to use loads
1392   // of the per-field globals instead.
1393   for (auto UI = GV->user_begin(), E = GV->user_end(); UI != E;) {
1394     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
1395
1396     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
1397       RewriteUsesOfLoadForHeapSRoA(LI, InsertedScalarizedValues, PHIsToRewrite);
1398       continue;
1399     }
1400
1401     // Must be a store of null.
1402     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(User);
1403     assert(isa<ConstantPointerNull>(SI->getOperand(0)) &&
1404            "Unexpected heap-sra user!");
1405
1406     // Insert a store of null into each global.
1407     for (unsigned i = 0, e = FieldGlobals.size(); i != e; ++i) {
1408       PointerType *PT = cast<PointerType>(FieldGlobals[i]->getType());
1409       Constant *Null = Constant::getNullValue(PT->getElementType());
1410       new StoreInst(Null, FieldGlobals[i], SI);
1411     }
1412     // Erase the original store.
1413     SI->eraseFromParent();
1414   }
1415
1416   // While we have PHIs that are interesting to rewrite, do it.
1417   while (!PHIsToRewrite.empty()) {
1418     PHINode *PN = PHIsToRewrite.back().first;
1419     unsigned FieldNo = PHIsToRewrite.back().second;
1420     PHIsToRewrite.pop_back();
1421     PHINode *FieldPN = cast<PHINode>(InsertedScalarizedValues[PN][FieldNo]);
1422     assert(FieldPN->getNumIncomingValues() == 0 &&"Already processed this phi");
1423
1424     // Add all the incoming values.  This can materialize more phis.
1425     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
1426       Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
1427       InVal = GetHeapSROAValue(InVal, FieldNo, InsertedScalarizedValues,
1428                                PHIsToRewrite);
1429       FieldPN->addIncoming(InVal, PN->getIncomingBlock(i));
1430     }
1431   }
1432
1433   // Drop all inter-phi links and any loads that made it this far.
1434   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1435        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1436        I != E; ++I) {
1437     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1438       PN->dropAllReferences();
1439     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1440       LI->dropAllReferences();
1441   }
1442
1443   // Delete all the phis and loads now that inter-references are dead.
1444   for (DenseMap<Value*, std::vector<Value*> >::iterator
1445        I = InsertedScalarizedValues.begin(), E = InsertedScalarizedValues.end();
1446        I != E; ++I) {
1447     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I->first))
1448       PN->eraseFromParent();
1449     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I->first))
1450       LI->eraseFromParent();
1451   }
1452
1453   // The old global is now dead, remove it.
1454   GV->eraseFromParent();
1455
1456   ++NumHeapSRA;
1457   return cast<GlobalVariable>(FieldGlobals[0]);
1458 }
1459
1460 /// TryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal - This function is called when we see a
1461 /// pointer global variable with a single value stored it that is a malloc or
1462 /// cast of malloc.
1463 static bool TryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GlobalVariable *GV,
1464                                                CallInst *CI,
1465                                                Type *AllocTy,
1466                                                AtomicOrdering Ordering,
1467                                                Module::global_iterator &GVI,
1468                                                const DataLayout *DL,
1469                                                TargetLibraryInfo *TLI) {
1470   if (!DL)
1471     return false;
1472
1473   // If this is a malloc of an abstract type, don't touch it.
1474   if (!AllocTy->isSized())
1475     return false;
1476
1477   // We can't optimize this global unless all uses of it are *known* to be
1478   // of the malloc value, not of the null initializer value (consider a use
1479   // that compares the global's value against zero to see if the malloc has
1480   // been reached).  To do this, we check to see if all uses of the global
1481   // would trap if the global were null: this proves that they must all
1482   // happen after the malloc.
1483   if (!AllUsesOfLoadedValueWillTrapIfNull(GV))
1484     return false;
1485
1486   // We can't optimize this if the malloc itself is used in a complex way,
1487   // for example, being stored into multiple globals.  This allows the
1488   // malloc to be stored into the specified global, loaded icmp'd, and
1489   // GEP'd.  These are all things we could transform to using the global
1490   // for.
1491   SmallPtrSet<const PHINode*, 8> PHIs;
1492   if (!ValueIsOnlyUsedLocallyOrStoredToOneGlobal(CI, GV, PHIs))
1493     return false;
1494
1495   // If we have a global that is only initialized with a fixed size malloc,
1496   // transform the program to use global memory instead of malloc'd memory.
1497   // This eliminates dynamic allocation, avoids an indirection accessing the
1498   // data, and exposes the resultant global to further GlobalOpt.
1499   // We cannot optimize the malloc if we cannot determine malloc array size.
1500   Value *NElems = getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true);
1501   if (!NElems)
1502     return false;
1503
1504   if (ConstantInt *NElements = dyn_cast<ConstantInt>(NElems))
1505     // Restrict this transformation to only working on small allocations
1506     // (2048 bytes currently), as we don't want to introduce a 16M global or
1507     // something.
1508     if (NElements->getZExtValue() * DL->getTypeAllocSize(AllocTy) < 2048) {
1509       GVI = OptimizeGlobalAddressOfMalloc(GV, CI, AllocTy, NElements, DL, TLI);
1510       return true;
1511     }
1512
1513   // If the allocation is an array of structures, consider transforming this
1514   // into multiple malloc'd arrays, one for each field.  This is basically
1515   // SRoA for malloc'd memory.
1516
1517   if (Ordering != NotAtomic)
1518     return false;
1519
1520   // If this is an allocation of a fixed size array of structs, analyze as a
1521   // variable size array.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1522   if (NElems == ConstantInt::get(CI->getArgOperand(0)->getType(), 1))
1523     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(AllocTy))
1524       AllocTy = AT->getElementType();
1525
1526   StructType *AllocSTy = dyn_cast<StructType>(AllocTy);
1527   if (!AllocSTy)
1528     return false;
1529
1530   // This the structure has an unreasonable number of fields, leave it
1531   // alone.
1532   if (AllocSTy->getNumElements() <= 16 && AllocSTy->getNumElements() != 0 &&
1533       AllGlobalLoadUsesSimpleEnoughForHeapSRA(GV, CI)) {
1534
1535     // If this is a fixed size array, transform the Malloc to be an alloc of
1536     // structs.  malloc [100 x struct],1 -> malloc struct, 100
1537     if (ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(getMallocAllocatedType(CI, TLI))) {
1538       Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(CI->getType());
1539       unsigned TypeSize = DL->getStructLayout(AllocSTy)->getSizeInBytes();
1540       Value *AllocSize = ConstantInt::get(IntPtrTy, TypeSize);
1541       Value *NumElements = ConstantInt::get(IntPtrTy, AT->getNumElements());
1542       Instruction *Malloc = CallInst::CreateMalloc(CI, IntPtrTy, AllocSTy,
1543                                                    AllocSize, NumElements,
1544                                                    nullptr, CI->getName());
1545       Instruction *Cast = new BitCastInst(Malloc, CI->getType(), "tmp", CI);
1546       CI->replaceAllUsesWith(Cast);
1547       CI->eraseFromParent();
1548       if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Malloc))
1549         CI = cast<CallInst>(BCI->getOperand(0));
1550       else
1551         CI = cast<CallInst>(Malloc);
1552     }
1553
1554     GVI = PerformHeapAllocSRoA(GV, CI, getMallocArraySize(CI, DL, TLI, true),
1555                                DL, TLI);
1556     return true;
1557   }
1558
1559   return false;
1560 }
1561
1562 // OptimizeOnceStoredGlobal - Try to optimize globals based on the knowledge
1563 // that only one value (besides its initializer) is ever stored to the global.
1564 static bool OptimizeOnceStoredGlobal(GlobalVariable *GV, Value *StoredOnceVal,
1565                                      AtomicOrdering Ordering,
1566                                      Module::global_iterator &GVI,
1567                                      const DataLayout *DL,
1568                                      TargetLibraryInfo *TLI) {
1569   // Ignore no-op GEPs and bitcasts.
1570   StoredOnceVal = StoredOnceVal->stripPointerCasts();
1571
1572   // If we are dealing with a pointer global that is initialized to null and
1573   // only has one (non-null) value stored into it, then we can optimize any
1574   // users of the loaded value (often calls and loads) that would trap if the
1575   // value was null.
1576   if (GV->getInitializer()->getType()->isPointerTy() &&
1577       GV->getInitializer()->isNullValue()) {
1578     if (Constant *SOVC = dyn_cast<Constant>(StoredOnceVal)) {
1579       if (GV->getInitializer()->getType() != SOVC->getType())
1580         SOVC = ConstantExpr::getBitCast(SOVC, GV->getInitializer()->getType());
1581
1582       // Optimize away any trapping uses of the loaded value.
1583       if (OptimizeAwayTrappingUsesOfLoads(GV, SOVC, DL, TLI))
1584         return true;
1585     } else if (CallInst *CI = extractMallocCall(StoredOnceVal, TLI)) {
1586       Type *MallocType = getMallocAllocatedType(CI, TLI);
1587       if (MallocType &&
1588           TryToOptimizeStoreOfMallocToGlobal(GV, CI, MallocType, Ordering, GVI,
1589                                              DL, TLI))
1590         return true;
1591     }
1592   }
1593
1594   return false;
1595 }
1596
1597 /// TryToShrinkGlobalToBoolean - At this point, we have learned that the only
1598 /// two values ever stored into GV are its initializer and OtherVal.  See if we
1599 /// can shrink the global into a boolean and select between the two values
1600 /// whenever it is used.  This exposes the values to other scalar optimizations.
1601 static bool TryToShrinkGlobalToBoolean(GlobalVariable *GV, Constant *OtherVal) {
1602   Type *GVElType = GV->getType()->getElementType();
1603
1604   // If GVElType is already i1, it is already shrunk.  If the type of the GV is
1605   // an FP value, pointer or vector, don't do this optimization because a select
1606   // between them is very expensive and unlikely to lead to later
1607   // simplification.  In these cases, we typically end up with "cond ? v1 : v2"
1608   // where v1 and v2 both require constant pool loads, a big loss.
1609   if (GVElType == Type::getInt1Ty(GV->getContext()) ||
1610       GVElType->isFloatingPointTy() ||
1611       GVElType->isPointerTy() || GVElType->isVectorTy())
1612     return false;
1613
1614   // Walk the use list of the global seeing if all the uses are load or store.
1615   // If there is anything else, bail out.
1616   for (User *U : GV->users())
1617     if (!isa<LoadInst>(U) && !isa<StoreInst>(U))
1618       return false;
1619
1620   DEBUG(dbgs() << "   *** SHRINKING TO BOOL: " << *GV);
1621
1622   // Create the new global, initializing it to false.
1623   GlobalVariable *NewGV = new GlobalVariable(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1624                                              false,
1625                                              GlobalValue::InternalLinkage,
1626                                         ConstantInt::getFalse(GV->getContext()),
1627                                              GV->getName()+".b",
1628                                              GV->getThreadLocalMode(),
1629                                              GV->getType()->getAddressSpace());
1630   GV->getParent()->getGlobalList().insert(GV, NewGV);
1631
1632   Constant *InitVal = GV->getInitializer();
1633   assert(InitVal->getType() != Type::getInt1Ty(GV->getContext()) &&
1634          "No reason to shrink to bool!");
1635
1636   // If initialized to zero and storing one into the global, we can use a cast
1637   // instead of a select to synthesize the desired value.
1638   bool IsOneZero = false;
1639   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(OtherVal))
1640     IsOneZero = InitVal->isNullValue() && CI->isOne();
1641
1642   while (!GV->use_empty()) {
1643     Instruction *UI = cast<Instruction>(GV->user_back());
1644     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UI)) {
1645       // Change the store into a boolean store.
1646       bool StoringOther = SI->getOperand(0) == OtherVal;
1647       // Only do this if we weren't storing a loaded value.
1648       Value *StoreVal;
1649       if (StoringOther || SI->getOperand(0) == InitVal) {
1650         StoreVal = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(GV->getContext()),
1651                                     StoringOther);
1652       } else {
1653         // Otherwise, we are storing a previously loaded copy.  To do this,
1654         // change the copy from copying the original value to just copying the
1655         // bool.
1656         Instruction *StoredVal = cast<Instruction>(SI->getOperand(0));
1657
1658         // If we've already replaced the input, StoredVal will be a cast or
1659         // select instruction.  If not, it will be a load of the original
1660         // global.
1661         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
1662           assert(LI->getOperand(0) == GV && "Not a copy!");
1663           // Insert a new load, to preserve the saved value.
1664           StoreVal = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1665                                   LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1666         } else {
1667           assert((isa<CastInst>(StoredVal) || isa<SelectInst>(StoredVal)) &&
1668                  "This is not a form that we understand!");
1669           StoreVal = StoredVal->getOperand(0);
1670           assert(isa<LoadInst>(StoreVal) && "Not a load of NewGV!");
1671         }
1672       }
1673       new StoreInst(StoreVal, NewGV, false, 0,
1674                     SI->getOrdering(), SI->getSynchScope(), SI);
1675     } else {
1676       // Change the load into a load of bool then a select.
1677       LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UI);
1678       LoadInst *NLI = new LoadInst(NewGV, LI->getName()+".b", false, 0,
1679                                    LI->getOrdering(), LI->getSynchScope(), LI);
1680       Value *NSI;
1681       if (IsOneZero)
1682         NSI = new ZExtInst(NLI, LI->getType(), "", LI);
1683       else
1684         NSI = SelectInst::Create(NLI, OtherVal, InitVal, "", LI);
1685       NSI->takeName(LI);
1686       LI->replaceAllUsesWith(NSI);
1687     }
1688     UI->eraseFromParent();
1689   }
1690
1691   // Retain the name of the old global variable. People who are debugging their
1692   // programs may expect these variables to be named the same.
1693   NewGV->takeName(GV);
1694   GV->eraseFromParent();
1695   return true;
1696 }
1697
1698
1699 /// ProcessGlobal - Analyze the specified global variable and optimize it if
1700 /// possible.  If we make a change, return true.
1701 bool GlobalOpt::ProcessGlobal(GlobalVariable *GV,
1702                               Module::global_iterator &GVI) {
1703   // Do more involved optimizations if the global is internal.
1704   GV->removeDeadConstantUsers();
1705
1706   if (GV->use_empty()) {
1707     DEBUG(dbgs() << "GLOBAL DEAD: " << *GV);
1708     GV->eraseFromParent();
1709     ++NumDeleted;
1710     return true;
1711   }
1712
1713   if (!GV->hasLocalLinkage())
1714     return false;
1715
1716   GlobalStatus GS;
1717
1718   if (GlobalStatus::analyzeGlobal(GV, GS))
1719     return false;
1720
1721   if (!GS.IsCompared && !GV->hasUnnamedAddr()) {
1722     GV->setUnnamedAddr(true);
1723     NumUnnamed++;
1724   }
1725
1726   if (GV->isConstant() || !GV->hasInitializer())
1727     return false;
1728
1729   return ProcessInternalGlobal(GV, GVI, GS);
1730 }
1731
1732 /// ProcessInternalGlobal - Analyze the specified global variable and optimize
1733 /// it if possible.  If we make a change, return true.
1734 bool GlobalOpt::ProcessInternalGlobal(GlobalVariable *GV,
1735                                       Module::global_iterator &GVI,
1736                                       const GlobalStatus &GS) {
1737   // If this is a first class global and has only one accessing function
1738   // and this function is main (which we know is not recursive), we replace
1739   // the global with a local alloca in this function.
1740   //
1741   // NOTE: It doesn't make sense to promote non-single-value types since we
1742   // are just replacing static memory to stack memory.
1743   //
1744   // If the global is in different address space, don't bring it to stack.
1745   if (!GS.HasMultipleAccessingFunctions &&
1746       GS.AccessingFunction && !GS.HasNonInstructionUser &&
1747       GV->getType()->getElementType()->isSingleValueType() &&
1748       GS.AccessingFunction->getName() == "main" &&
1749       GS.AccessingFunction->hasExternalLinkage() &&
1750       GV->getType()->getAddressSpace() == 0) {
1751     DEBUG(dbgs() << "LOCALIZING GLOBAL: " << *GV);
1752     Instruction &FirstI = const_cast<Instruction&>(*GS.AccessingFunction
1753                                                    ->getEntryBlock().begin());
1754     Type *ElemTy = GV->getType()->getElementType();
1755     // FIXME: Pass Global's alignment when globals have alignment
1756     AllocaInst *Alloca = new AllocaInst(ElemTy, nullptr,
1757                                         GV->getName(), &FirstI);
1758     if (!isa<UndefValue>(GV->getInitializer()))
1759       new StoreInst(GV->getInitializer(), Alloca, &FirstI);
1760
1761     GV->replaceAllUsesWith(Alloca);
1762     GV->eraseFromParent();
1763     ++NumLocalized;
1764     return true;
1765   }
1766
1767   // If the global is never loaded (but may be stored to), it is dead.
1768   // Delete it now.
1769   if (!GS.IsLoaded) {
1770     DEBUG(dbgs() << "GLOBAL NEVER LOADED: " << *GV);
1771
1772     bool Changed;
1773     if (isLeakCheckerRoot(GV)) {
1774       // Delete any constant stores to the global.
1775       Changed = CleanupPointerRootUsers(GV, TLI);
1776     } else {
1777       // Delete any stores we can find to the global.  We may not be able to
1778       // make it completely dead though.
1779       Changed = CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1780     }
1781
1782     // If the global is dead now, delete it.
1783     if (GV->use_empty()) {
1784       GV->eraseFromParent();
1785       ++NumDeleted;
1786       Changed = true;
1787     }
1788     return Changed;
1789
1790   } else if (GS.StoredType <= GlobalStatus::InitializerStored) {
1791     DEBUG(dbgs() << "MARKING CONSTANT: " << *GV << "\n");
1792     GV->setConstant(true);
1793
1794     // Clean up any obviously simplifiable users now.
1795     CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1796
1797     // If the global is dead now, just nuke it.
1798     if (GV->use_empty()) {
1799       DEBUG(dbgs() << "   *** Marking constant allowed us to simplify "
1800             << "all users and delete global!\n");
1801       GV->eraseFromParent();
1802       ++NumDeleted;
1803     }
1804
1805     ++NumMarked;
1806     return true;
1807   } else if (!GV->getInitializer()->getType()->isSingleValueType()) {
1808     if (DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>()) {
1809       const DataLayout &DL = DLP->getDataLayout();
1810       if (GlobalVariable *FirstNewGV = SRAGlobal(GV, DL)) {
1811         GVI = FirstNewGV;  // Don't skip the newly produced globals!
1812         return true;
1813       }
1814     }
1815   } else if (GS.StoredType == GlobalStatus::StoredOnce) {
1816     // If the initial value for the global was an undef value, and if only
1817     // one other value was stored into it, we can just change the
1818     // initializer to be the stored value, then delete all stores to the
1819     // global.  This allows us to mark it constant.
1820     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue))
1821       if (isa<UndefValue>(GV->getInitializer())) {
1822         // Change the initial value here.
1823         GV->setInitializer(SOVConstant);
1824
1825         // Clean up any obviously simplifiable users now.
1826         CleanupConstantGlobalUsers(GV, GV->getInitializer(), DL, TLI);
1827
1828         if (GV->use_empty()) {
1829           DEBUG(dbgs() << "   *** Substituting initializer allowed us to "
1830                        << "simplify all users and delete global!\n");
1831           GV->eraseFromParent();
1832           ++NumDeleted;
1833         } else {
1834           GVI = GV;
1835         }
1836         ++NumSubstitute;
1837         return true;
1838       }
1839
1840     // Try to optimize globals based on the knowledge that only one value
1841     // (besides its initializer) is ever stored to the global.
1842     if (OptimizeOnceStoredGlobal(GV, GS.StoredOnceValue, GS.Ordering, GVI,
1843                                  DL, TLI))
1844       return true;
1845
1846     // Otherwise, if the global was not a boolean, we can shrink it to be a
1847     // boolean.
1848     if (Constant *SOVConstant = dyn_cast<Constant>(GS.StoredOnceValue)) {
1849       if (GS.Ordering == NotAtomic) {
1850         if (TryToShrinkGlobalToBoolean(GV, SOVConstant)) {
1851           ++NumShrunkToBool;
1852           return true;
1853         }
1854       }
1855     }
1856   }
1857
1858   return false;
1859 }
1860
1861 /// ChangeCalleesToFastCall - Walk all of the direct calls of the specified
1862 /// function, changing them to FastCC.
1863 static void ChangeCalleesToFastCall(Function *F) {
1864   for (User *U : F->users()) {
1865     if (isa<BlockAddress>(U))
1866       continue;
1867     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
1868     CS.setCallingConv(CallingConv::Fast);
1869   }
1870 }
1871
1872 static AttributeSet StripNest(LLVMContext &C, const AttributeSet &Attrs) {
1873   for (unsigned i = 0, e = Attrs.getNumSlots(); i != e; ++i) {
1874     unsigned Index = Attrs.getSlotIndex(i);
1875     if (!Attrs.getSlotAttributes(i).hasAttribute(Index, Attribute::Nest))
1876       continue;
1877
1878     // There can be only one.
1879     return Attrs.removeAttribute(C, Index, Attribute::Nest);
1880   }
1881
1882   return Attrs;
1883 }
1884
1885 static void RemoveNestAttribute(Function *F) {
1886   F->setAttributes(StripNest(F->getContext(), F->getAttributes()));
1887   for (User *U : F->users()) {
1888     if (isa<BlockAddress>(U))
1889       continue;
1890     CallSite CS(cast<Instruction>(U));
1891     CS.setAttributes(StripNest(F->getContext(), CS.getAttributes()));
1892   }
1893 }
1894
1895 /// Return true if this is a calling convention that we'd like to change.  The
1896 /// idea here is that we don't want to mess with the convention if the user
1897 /// explicitly requested something with performance implications like coldcc,
1898 /// GHC, or anyregcc.
1899 static bool isProfitableToMakeFastCC(Function *F) {
1900   CallingConv::ID CC = F->getCallingConv();
1901   // FIXME: Is it worth transforming x86_stdcallcc and x86_fastcallcc?
1902   return CC == CallingConv::C || CC == CallingConv::X86_ThisCall;
1903 }
1904
1905 bool GlobalOpt::OptimizeFunctions(Module &M) {
1906   bool Changed = false;
1907   // Optimize functions.
1908   for (Module::iterator FI = M.begin(), E = M.end(); FI != E; ) {
1909     Function *F = FI++;
1910     // Functions without names cannot be referenced outside this module.
1911     if (!F->hasName() && !F->isDeclaration())
1912       F->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
1913     F->removeDeadConstantUsers();
1914     if (F->isDefTriviallyDead()) {
1915       F->eraseFromParent();
1916       Changed = true;
1917       ++NumFnDeleted;
1918     } else if (F->hasLocalLinkage()) {
1919       if (isProfitableToMakeFastCC(F) && !F->isVarArg() &&
1920           !F->hasAddressTaken()) {
1921         // If this function has a calling convention worth changing, is not a
1922         // varargs function, and is only called directly, promote it to use the
1923         // Fast calling convention.
1924         F->setCallingConv(CallingConv::Fast);
1925         ChangeCalleesToFastCall(F);
1926         ++NumFastCallFns;
1927         Changed = true;
1928       }
1929
1930       if (F->getAttributes().hasAttrSomewhere(Attribute::Nest) &&
1931           !F->hasAddressTaken()) {
1932         // The function is not used by a trampoline intrinsic, so it is safe
1933         // to remove the 'nest' attribute.
1934         RemoveNestAttribute(F);
1935         ++NumNestRemoved;
1936         Changed = true;
1937       }
1938     }
1939   }
1940   return Changed;
1941 }
1942
1943 bool GlobalOpt::OptimizeGlobalVars(Module &M) {
1944   bool Changed = false;
1945
1946   SmallSet<const Comdat *, 8> NotDiscardableComdats;
1947   for (const GlobalVariable &GV : M.globals())
1948     if (const Comdat *C = GV.getComdat())
1949       if (!GV.isDiscardableIfUnused())
1950         NotDiscardableComdats.insert(C);
1951
1952   for (Module::global_iterator GVI = M.global_begin(), E = M.global_end();
1953        GVI != E; ) {
1954     GlobalVariable *GV = GVI++;
1955     // Global variables without names cannot be referenced outside this module.
1956     if (!GV->hasName() && !GV->isDeclaration())
1957       GV->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
1958     // Simplify the initializer.
1959     if (GV->hasInitializer())
1960       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(GV->getInitializer())) {
1961         Constant *New = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
1962         if (New && New != CE)
1963           GV->setInitializer(New);
1964       }
1965
1966     if (GV->isDiscardableIfUnused()) {
1967       if (const Comdat *C = GV->getComdat())
1968         if (NotDiscardableComdats.count(C))
1969           continue;
1970       Changed |= ProcessGlobal(GV, GVI);
1971     }
1972   }
1973   return Changed;
1974 }
1975
1976 static inline bool
1977 isSimpleEnoughValueToCommit(Constant *C,
1978                             SmallPtrSet<Constant*, 8> &SimpleConstants,
1979                             const DataLayout *DL);
1980
1981
1982 /// isSimpleEnoughValueToCommit - Return true if the specified constant can be
1983 /// handled by the code generator.  We don't want to generate something like:
1984 ///   void *X = &X/42;
1985 /// because the code generator doesn't have a relocation that can handle that.
1986 ///
1987 /// This function should be called if C was not found (but just got inserted)
1988 /// in SimpleConstants to avoid having to rescan the same constants all the
1989 /// time.
1990 static bool isSimpleEnoughValueToCommitHelper(Constant *C,
1991                                    SmallPtrSet<Constant*, 8> &SimpleConstants,
1992                                    const DataLayout *DL) {
1993   // Simple global addresses are supported, do not allow dllimport or
1994   // thread-local globals.
1995   if (auto *GV = dyn_cast<GlobalValue>(C))
1996     return !GV->hasDLLImportStorageClass() && !GV->isThreadLocal();
1997
1998   // Simple integer, undef, constant aggregate zero, etc are all supported.
1999   if (C->getNumOperands() == 0 || isa<BlockAddress>(C))
2000     return true;
2001
2002   // Aggregate values are safe if all their elements are.
2003   if (isa<ConstantArray>(C) || isa<ConstantStruct>(C) ||
2004       isa<ConstantVector>(C)) {
2005     for (unsigned i = 0, e = C->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2006       Constant *Op = cast<Constant>(C->getOperand(i));
2007       if (!isSimpleEnoughValueToCommit(Op, SimpleConstants, DL))
2008         return false;
2009     }
2010     return true;
2011   }
2012
2013   // We don't know exactly what relocations are allowed in constant expressions,
2014   // so we allow &global+constantoffset, which is safe and uniformly supported
2015   // across targets.
2016   ConstantExpr *CE = cast<ConstantExpr>(C);
2017   switch (CE->getOpcode()) {
2018   case Instruction::BitCast:
2019     // Bitcast is fine if the casted value is fine.
2020     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2021
2022   case Instruction::IntToPtr:
2023   case Instruction::PtrToInt:
2024     // int <=> ptr is fine if the int type is the same size as the
2025     // pointer type.
2026     if (!DL || DL->getTypeSizeInBits(CE->getType()) !=
2027                DL->getTypeSizeInBits(CE->getOperand(0)->getType()))
2028       return false;
2029     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2030
2031   // GEP is fine if it is simple + constant offset.
2032   case Instruction::GetElementPtr:
2033     for (unsigned i = 1, e = CE->getNumOperands(); i != e; ++i)
2034       if (!isa<ConstantInt>(CE->getOperand(i)))
2035         return false;
2036     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2037
2038   case Instruction::Add:
2039     // We allow simple+cst.
2040     if (!isa<ConstantInt>(CE->getOperand(1)))
2041       return false;
2042     return isSimpleEnoughValueToCommit(CE->getOperand(0), SimpleConstants, DL);
2043   }
2044   return false;
2045 }
2046
2047 static inline bool
2048 isSimpleEnoughValueToCommit(Constant *C,
2049                             SmallPtrSet<Constant*, 8> &SimpleConstants,
2050                             const DataLayout *DL) {
2051   // If we already checked this constant, we win.
2052   if (!SimpleConstants.insert(C)) return true;
2053   // Check the constant.
2054   return isSimpleEnoughValueToCommitHelper(C, SimpleConstants, DL);
2055 }
2056
2057
2058 /// isSimpleEnoughPointerToCommit - Return true if this constant is simple
2059 /// enough for us to understand.  In particular, if it is a cast to anything
2060 /// other than from one pointer type to another pointer type, we punt.
2061 /// We basically just support direct accesses to globals and GEP's of
2062 /// globals.  This should be kept up to date with CommitValueTo.
2063 static bool isSimpleEnoughPointerToCommit(Constant *C) {
2064   // Conservatively, avoid aggregate types. This is because we don't
2065   // want to worry about them partially overlapping other stores.
2066   if (!cast<PointerType>(C->getType())->getElementType()->isSingleValueType())
2067     return false;
2068
2069   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(C))
2070     // Do not allow weak/*_odr/linkonce linkage or external globals.
2071     return GV->hasUniqueInitializer();
2072
2073   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(C)) {
2074     // Handle a constantexpr gep.
2075     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
2076         isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0)) &&
2077         cast<GEPOperator>(CE)->isInBounds()) {
2078       GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2079       // Do not allow weak/*_odr/linkonce/dllimport/dllexport linkage or
2080       // external globals.
2081       if (!GV->hasUniqueInitializer())
2082         return false;
2083
2084       // The first index must be zero.
2085       ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(*std::next(CE->op_begin()));
2086       if (!CI || !CI->isZero()) return false;
2087
2088       // The remaining indices must be compile-time known integers within the
2089       // notional bounds of the corresponding static array types.
2090       if (!CE->isGEPWithNoNotionalOverIndexing())
2091         return false;
2092
2093       return ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(GV->getInitializer(), CE);
2094
2095     // A constantexpr bitcast from a pointer to another pointer is a no-op,
2096     // and we know how to evaluate it by moving the bitcast from the pointer
2097     // operand to the value operand.
2098     } else if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast &&
2099                isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))) {
2100       // Do not allow weak/*_odr/linkonce/dllimport/dllexport linkage or
2101       // external globals.
2102       return cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))->hasUniqueInitializer();
2103     }
2104   }
2105
2106   return false;
2107 }
2108
2109 /// EvaluateStoreInto - Evaluate a piece of a constantexpr store into a global
2110 /// initializer.  This returns 'Init' modified to reflect 'Val' stored into it.
2111 /// At this point, the GEP operands of Addr [0, OpNo) have been stepped into.
2112 static Constant *EvaluateStoreInto(Constant *Init, Constant *Val,
2113                                    ConstantExpr *Addr, unsigned OpNo) {
2114   // Base case of the recursion.
2115   if (OpNo == Addr->getNumOperands()) {
2116     assert(Val->getType() == Init->getType() && "Type mismatch!");
2117     return Val;
2118   }
2119
2120   SmallVector<Constant*, 32> Elts;
2121   if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2122     // Break up the constant into its elements.
2123     for (unsigned i = 0, e = STy->getNumElements(); i != e; ++i)
2124       Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2125
2126     // Replace the element that we are supposed to.
2127     ConstantInt *CU = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2128     unsigned Idx = CU->getZExtValue();
2129     assert(Idx < STy->getNumElements() && "Struct index out of range!");
2130     Elts[Idx] = EvaluateStoreInto(Elts[Idx], Val, Addr, OpNo+1);
2131
2132     // Return the modified struct.
2133     return ConstantStruct::get(STy, Elts);
2134   }
2135
2136   ConstantInt *CI = cast<ConstantInt>(Addr->getOperand(OpNo));
2137   SequentialType *InitTy = cast<SequentialType>(Init->getType());
2138
2139   uint64_t NumElts;
2140   if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(InitTy))
2141     NumElts = ATy->getNumElements();
2142   else
2143     NumElts = InitTy->getVectorNumElements();
2144
2145   // Break up the array into elements.
2146   for (uint64_t i = 0, e = NumElts; i != e; ++i)
2147     Elts.push_back(Init->getAggregateElement(i));
2148
2149   assert(CI->getZExtValue() < NumElts);
2150   Elts[CI->getZExtValue()] =
2151     EvaluateStoreInto(Elts[CI->getZExtValue()], Val, Addr, OpNo+1);
2152
2153   if (Init->getType()->isArrayTy())
2154     return ConstantArray::get(cast<ArrayType>(InitTy), Elts);
2155   return ConstantVector::get(Elts);
2156 }
2157
2158 /// CommitValueTo - We have decided that Addr (which satisfies the predicate
2159 /// isSimpleEnoughPointerToCommit) should get Val as its value.  Make it happen.
2160 static void CommitValueTo(Constant *Val, Constant *Addr) {
2161   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(Addr)) {
2162     assert(GV->hasInitializer());
2163     GV->setInitializer(Val);
2164     return;
2165   }
2166
2167   ConstantExpr *CE = cast<ConstantExpr>(Addr);
2168   GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2169   GV->setInitializer(EvaluateStoreInto(GV->getInitializer(), Val, CE, 2));
2170 }
2171
2172 namespace {
2173
2174 /// Evaluator - This class evaluates LLVM IR, producing the Constant
2175 /// representing each SSA instruction.  Changes to global variables are stored
2176 /// in a mapping that can be iterated over after the evaluation is complete.
2177 /// Once an evaluation call fails, the evaluation object should not be reused.
2178 class Evaluator {
2179 public:
2180   Evaluator(const DataLayout *DL, const TargetLibraryInfo *TLI)
2181     : DL(DL), TLI(TLI) {
2182     ValueStack.emplace_back();
2183   }
2184
2185   ~Evaluator() {
2186     for (auto &Tmp : AllocaTmps)
2187       // If there are still users of the alloca, the program is doing something
2188       // silly, e.g. storing the address of the alloca somewhere and using it
2189       // later.  Since this is undefined, we'll just make it be null.
2190       if (!Tmp->use_empty())
2191         Tmp->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(Tmp->getType()));
2192   }
2193
2194   /// EvaluateFunction - Evaluate a call to function F, returning true if
2195   /// successful, false if we can't evaluate it.  ActualArgs contains the formal
2196   /// arguments for the function.
2197   bool EvaluateFunction(Function *F, Constant *&RetVal,
2198                         const SmallVectorImpl<Constant*> &ActualArgs);
2199
2200   /// EvaluateBlock - Evaluate all instructions in block BB, returning true if
2201   /// successful, false if we can't evaluate it.  NewBB returns the next BB that
2202   /// control flows into, or null upon return.
2203   bool EvaluateBlock(BasicBlock::iterator CurInst, BasicBlock *&NextBB);
2204
2205   Constant *getVal(Value *V) {
2206     if (Constant *CV = dyn_cast<Constant>(V)) return CV;
2207     Constant *R = ValueStack.back().lookup(V);
2208     assert(R && "Reference to an uncomputed value!");
2209     return R;
2210   }
2211
2212   void setVal(Value *V, Constant *C) {
2213     ValueStack.back()[V] = C;
2214   }
2215
2216   const DenseMap<Constant*, Constant*> &getMutatedMemory() const {
2217     return MutatedMemory;
2218   }
2219
2220   const SmallPtrSet<GlobalVariable*, 8> &getInvariants() const {
2221     return Invariants;
2222   }
2223
2224 private:
2225   Constant *ComputeLoadResult(Constant *P);
2226
2227   /// ValueStack - As we compute SSA register values, we store their contents
2228   /// here. The back of the deque contains the current function and the stack
2229   /// contains the values in the calling frames.
2230   std::deque<DenseMap<Value*, Constant*>> ValueStack;
2231
2232   /// CallStack - This is used to detect recursion.  In pathological situations
2233   /// we could hit exponential behavior, but at least there is nothing
2234   /// unbounded.
2235   SmallVector<Function*, 4> CallStack;
2236
2237   /// MutatedMemory - For each store we execute, we update this map.  Loads
2238   /// check this to get the most up-to-date value.  If evaluation is successful,
2239   /// this state is committed to the process.
2240   DenseMap<Constant*, Constant*> MutatedMemory;
2241
2242   /// AllocaTmps - To 'execute' an alloca, we create a temporary global variable
2243   /// to represent its body.  This vector is needed so we can delete the
2244   /// temporary globals when we are done.
2245   SmallVector<std::unique_ptr<GlobalVariable>, 32> AllocaTmps;
2246
2247   /// Invariants - These global variables have been marked invariant by the
2248   /// static constructor.
2249   SmallPtrSet<GlobalVariable*, 8> Invariants;
2250
2251   /// SimpleConstants - These are constants we have checked and know to be
2252   /// simple enough to live in a static initializer of a global.
2253   SmallPtrSet<Constant*, 8> SimpleConstants;
2254
2255   const DataLayout *DL;
2256   const TargetLibraryInfo *TLI;
2257 };
2258
2259 }  // anonymous namespace
2260
2261 /// ComputeLoadResult - Return the value that would be computed by a load from
2262 /// P after the stores reflected by 'memory' have been performed.  If we can't
2263 /// decide, return null.
2264 Constant *Evaluator::ComputeLoadResult(Constant *P) {
2265   // If this memory location has been recently stored, use the stored value: it
2266   // is the most up-to-date.
2267   DenseMap<Constant*, Constant*>::const_iterator I = MutatedMemory.find(P);
2268   if (I != MutatedMemory.end()) return I->second;
2269
2270   // Access it.
2271   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(P)) {
2272     if (GV->hasDefinitiveInitializer())
2273       return GV->getInitializer();
2274     return nullptr;
2275   }
2276
2277   // Handle a constantexpr getelementptr.
2278   if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(P))
2279     if (CE->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr &&
2280         isa<GlobalVariable>(CE->getOperand(0))) {
2281       GlobalVariable *GV = cast<GlobalVariable>(CE->getOperand(0));
2282       if (GV->hasDefinitiveInitializer())
2283         return ConstantFoldLoadThroughGEPConstantExpr(GV->getInitializer(), CE);
2284     }
2285
2286   return nullptr;  // don't know how to evaluate.
2287 }
2288
2289 /// EvaluateBlock - Evaluate all instructions in block BB, returning true if
2290 /// successful, false if we can't evaluate it.  NewBB returns the next BB that
2291 /// control flows into, or null upon return.
2292 bool Evaluator::EvaluateBlock(BasicBlock::iterator CurInst,
2293                               BasicBlock *&NextBB) {
2294   // This is the main evaluation loop.
2295   while (1) {
2296     Constant *InstResult = nullptr;
2297
2298     DEBUG(dbgs() << "Evaluating Instruction: " << *CurInst << "\n");
2299
2300     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(CurInst)) {
2301       if (!SI->isSimple()) {
2302         DEBUG(dbgs() << "Store is not simple! Can not evaluate.\n");
2303         return false;  // no volatile/atomic accesses.
2304       }
2305       Constant *Ptr = getVal(SI->getOperand(1));
2306       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2307         DEBUG(dbgs() << "Folding constant ptr expression: " << *Ptr);
2308         Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2309         DEBUG(dbgs() << "; To: " << *Ptr << "\n");
2310       }
2311       if (!isSimpleEnoughPointerToCommit(Ptr)) {
2312         // If this is too complex for us to commit, reject it.
2313         DEBUG(dbgs() << "Pointer is too complex for us to evaluate store.");
2314         return false;
2315       }
2316
2317       Constant *Val = getVal(SI->getOperand(0));
2318
2319       // If this might be too difficult for the backend to handle (e.g. the addr
2320       // of one global variable divided by another) then we can't commit it.
2321       if (!isSimpleEnoughValueToCommit(Val, SimpleConstants, DL)) {
2322         DEBUG(dbgs() << "Store value is too complex to evaluate store. " << *Val
2323               << "\n");
2324         return false;
2325       }
2326
2327       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2328         if (CE->getOpcode() == Instruction::BitCast) {
2329           DEBUG(dbgs() << "Attempting to resolve bitcast on constant ptr.\n");
2330           // If we're evaluating a store through a bitcast, then we need
2331           // to pull the bitcast off the pointer type and push it onto the
2332           // stored value.
2333           Ptr = CE->getOperand(0);
2334
2335           Type *NewTy = cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType();
2336
2337           // In order to push the bitcast onto the stored value, a bitcast
2338           // from NewTy to Val's type must be legal.  If it's not, we can try
2339           // introspecting NewTy to find a legal conversion.
2340           while (!Val->getType()->canLosslesslyBitCastTo(NewTy)) {
2341             // If NewTy is a struct, we can convert the pointer to the struct
2342             // into a pointer to its first member.
2343             // FIXME: This could be extended to support arrays as well.
2344             if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(NewTy)) {
2345               NewTy = STy->getTypeAtIndex(0U);
2346
2347               IntegerType *IdxTy = IntegerType::get(NewTy->getContext(), 32);
2348               Constant *IdxZero = ConstantInt::get(IdxTy, 0, false);
2349               Constant * const IdxList[] = {IdxZero, IdxZero};
2350
2351               Ptr = ConstantExpr::getGetElementPtr(Ptr, IdxList);
2352               if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr))
2353                 Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2354
2355             // If we can't improve the situation by introspecting NewTy,
2356             // we have to give up.
2357             } else {
2358               DEBUG(dbgs() << "Failed to bitcast constant ptr, can not "
2359                     "evaluate.\n");
2360               return false;
2361             }
2362           }
2363
2364           // If we found compatible types, go ahead and push the bitcast
2365           // onto the stored value.
2366           Val = ConstantExpr::getBitCast(Val, NewTy);
2367
2368           DEBUG(dbgs() << "Evaluated bitcast: " << *Val << "\n");
2369         }
2370       }
2371
2372       MutatedMemory[Ptr] = Val;
2373     } else if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(CurInst)) {
2374       InstResult = ConstantExpr::get(BO->getOpcode(),
2375                                      getVal(BO->getOperand(0)),
2376                                      getVal(BO->getOperand(1)));
2377       DEBUG(dbgs() << "Found a BinaryOperator! Simplifying: " << *InstResult
2378             << "\n");
2379     } else if (CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(CurInst)) {
2380       InstResult = ConstantExpr::getCompare(CI->getPredicate(),
2381                                             getVal(CI->getOperand(0)),
2382                                             getVal(CI->getOperand(1)));
2383       DEBUG(dbgs() << "Found a CmpInst! Simplifying: " << *InstResult
2384             << "\n");
2385     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(CurInst)) {
2386       InstResult = ConstantExpr::getCast(CI->getOpcode(),
2387                                          getVal(CI->getOperand(0)),
2388                                          CI->getType());
2389       DEBUG(dbgs() << "Found a Cast! Simplifying: " << *InstResult
2390             << "\n");
2391     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(CurInst)) {
2392       InstResult = ConstantExpr::getSelect(getVal(SI->getOperand(0)),
2393                                            getVal(SI->getOperand(1)),
2394                                            getVal(SI->getOperand(2)));
2395       DEBUG(dbgs() << "Found a Select! Simplifying: " << *InstResult
2396             << "\n");
2397     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(CurInst)) {
2398       Constant *P = getVal(GEP->getOperand(0));
2399       SmallVector<Constant*, 8> GEPOps;
2400       for (User::op_iterator i = GEP->op_begin() + 1, e = GEP->op_end();
2401            i != e; ++i)
2402         GEPOps.push_back(getVal(*i));
2403       InstResult =
2404         ConstantExpr::getGetElementPtr(P, GEPOps,
2405                                        cast<GEPOperator>(GEP)->isInBounds());
2406       DEBUG(dbgs() << "Found a GEP! Simplifying: " << *InstResult
2407             << "\n");
2408     } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(CurInst)) {
2409
2410       if (!LI->isSimple()) {
2411         DEBUG(dbgs() << "Found a Load! Not a simple load, can not evaluate.\n");
2412         return false;  // no volatile/atomic accesses.
2413       }
2414
2415       Constant *Ptr = getVal(LI->getOperand(0));
2416       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(Ptr)) {
2417         Ptr = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2418         DEBUG(dbgs() << "Found a constant pointer expression, constant "
2419               "folding: " << *Ptr << "\n");
2420       }
2421       InstResult = ComputeLoadResult(Ptr);
2422       if (!InstResult) {
2423         DEBUG(dbgs() << "Failed to compute load result. Can not evaluate load."
2424               "\n");
2425         return false; // Could not evaluate load.
2426       }
2427
2428       DEBUG(dbgs() << "Evaluated load: " << *InstResult << "\n");
2429     } else if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(CurInst)) {
2430       if (AI->isArrayAllocation()) {
2431         DEBUG(dbgs() << "Found an array alloca. Can not evaluate.\n");
2432         return false;  // Cannot handle array allocs.
2433       }
2434       Type *Ty = AI->getType()->getElementType();
2435       AllocaTmps.push_back(
2436           make_unique<GlobalVariable>(Ty, false, GlobalValue::InternalLinkage,
2437                                       UndefValue::get(Ty), AI->getName()));
2438       InstResult = AllocaTmps.back().get();
2439       DEBUG(dbgs() << "Found an alloca. Result: " << *InstResult << "\n");
2440     } else if (isa<CallInst>(CurInst) || isa<InvokeInst>(CurInst)) {
2441       CallSite CS(CurInst);
2442
2443       // Debug info can safely be ignored here.
2444       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(CS.getInstruction())) {
2445         DEBUG(dbgs() << "Ignoring debug info.\n");
2446         ++CurInst;
2447         continue;
2448       }
2449
2450       // Cannot handle inline asm.
2451       if (isa<InlineAsm>(CS.getCalledValue())) {
2452         DEBUG(dbgs() << "Found inline asm, can not evaluate.\n");
2453         return false;
2454       }
2455
2456       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(CS.getInstruction())) {
2457         if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(II)) {
2458           if (MSI->isVolatile()) {
2459             DEBUG(dbgs() << "Can not optimize a volatile memset " <<
2460                   "intrinsic.\n");
2461             return false;
2462           }
2463           Constant *Ptr = getVal(MSI->getDest());
2464           Constant *Val = getVal(MSI->getValue());
2465           Constant *DestVal = ComputeLoadResult(getVal(Ptr));
2466           if (Val->isNullValue() && DestVal && DestVal->isNullValue()) {
2467             // This memset is a no-op.
2468             DEBUG(dbgs() << "Ignoring no-op memset.\n");
2469             ++CurInst;
2470             continue;
2471           }
2472         }
2473
2474         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
2475             II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
2476           DEBUG(dbgs() << "Ignoring lifetime intrinsic.\n");
2477           ++CurInst;
2478           continue;
2479         }
2480
2481         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::invariant_start) {
2482           // We don't insert an entry into Values, as it doesn't have a
2483           // meaningful return value.
2484           if (!II->use_empty()) {
2485             DEBUG(dbgs() << "Found unused invariant_start. Can't evaluate.\n");
2486             return false;
2487           }
2488           ConstantInt *Size = cast<ConstantInt>(II->getArgOperand(0));
2489           Value *PtrArg = getVal(II->getArgOperand(1));
2490           Value *Ptr = PtrArg->stripPointerCasts();
2491           if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(Ptr)) {
2492             Type *ElemTy = cast<PointerType>(GV->getType())->getElementType();
2493             if (DL && !Size->isAllOnesValue() &&
2494                 Size->getValue().getLimitedValue() >=
2495                 DL->getTypeStoreSize(ElemTy)) {
2496               Invariants.insert(GV);
2497               DEBUG(dbgs() << "Found a global var that is an invariant: " << *GV
2498                     << "\n");
2499             } else {
2500               DEBUG(dbgs() << "Found a global var, but can not treat it as an "
2501                     "invariant.\n");
2502             }
2503           }
2504           // Continue even if we do nothing.
2505           ++CurInst;
2506           continue;
2507         }
2508
2509         DEBUG(dbgs() << "Unknown intrinsic. Can not evaluate.\n");
2510         return false;
2511       }
2512
2513       // Resolve function pointers.
2514       Function *Callee = dyn_cast<Function>(getVal(CS.getCalledValue()));
2515       if (!Callee || Callee->mayBeOverridden()) {
2516         DEBUG(dbgs() << "Can not resolve function pointer.\n");
2517         return false;  // Cannot resolve.
2518       }
2519
2520       SmallVector<Constant*, 8> Formals;
2521       for (User::op_iterator i = CS.arg_begin(), e = CS.arg_end(); i != e; ++i)
2522         Formals.push_back(getVal(*i));
2523
2524       if (Callee->isDeclaration()) {
2525         // If this is a function we can constant fold, do it.
2526         if (Constant *C = ConstantFoldCall(Callee, Formals, TLI)) {
2527           InstResult = C;
2528           DEBUG(dbgs() << "Constant folded function call. Result: " <<
2529                 *InstResult << "\n");
2530         } else {
2531           DEBUG(dbgs() << "Can not constant fold function call.\n");
2532           return false;
2533         }
2534       } else {
2535         if (Callee->getFunctionType()->isVarArg()) {
2536           DEBUG(dbgs() << "Can not constant fold vararg function call.\n");
2537           return false;
2538         }
2539
2540         Constant *RetVal = nullptr;
2541         // Execute the call, if successful, use the return value.
2542         ValueStack.emplace_back();
2543         if (!EvaluateFunction(Callee, RetVal, Formals)) {
2544           DEBUG(dbgs() << "Failed to evaluate function.\n");
2545           return false;
2546         }
2547         ValueStack.pop_back();
2548         InstResult = RetVal;
2549
2550         if (InstResult) {
2551           DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated function. Result: " <<
2552                 InstResult << "\n\n");
2553         } else {
2554           DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated function. Result: 0\n\n");
2555         }
2556       }
2557     } else if (isa<TerminatorInst>(CurInst)) {
2558       DEBUG(dbgs() << "Found a terminator instruction.\n");
2559
2560       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(CurInst)) {
2561         if (BI->isUnconditional()) {
2562           NextBB = BI->getSuccessor(0);
2563         } else {
2564           ConstantInt *Cond =
2565             dyn_cast<ConstantInt>(getVal(BI->getCondition()));
2566           if (!Cond) return false;  // Cannot determine.
2567
2568           NextBB = BI->getSuccessor(!Cond->getZExtValue());
2569         }
2570       } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(CurInst)) {
2571         ConstantInt *Val =
2572           dyn_cast<ConstantInt>(getVal(SI->getCondition()));
2573         if (!Val) return false;  // Cannot determine.
2574         NextBB = SI->findCaseValue(Val).getCaseSuccessor();
2575       } else if (IndirectBrInst *IBI = dyn_cast<IndirectBrInst>(CurInst)) {
2576         Value *Val = getVal(IBI->getAddress())->stripPointerCasts();
2577         if (BlockAddress *BA = dyn_cast<BlockAddress>(Val))
2578           NextBB = BA->getBasicBlock();
2579         else
2580           return false;  // Cannot determine.
2581       } else if (isa<ReturnInst>(CurInst)) {
2582         NextBB = nullptr;
2583       } else {
2584         // invoke, unwind, resume, unreachable.
2585         DEBUG(dbgs() << "Can not handle terminator.");
2586         return false;  // Cannot handle this terminator.
2587       }
2588
2589       // We succeeded at evaluating this block!
2590       DEBUG(dbgs() << "Successfully evaluated block.\n");
2591       return true;
2592     } else {
2593       // Did not know how to evaluate this!
2594       DEBUG(dbgs() << "Failed to evaluate block due to unhandled instruction."
2595             "\n");
2596       return false;
2597     }
2598
2599     if (!CurInst->use_empty()) {
2600       if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(InstResult))
2601         InstResult = ConstantFoldConstantExpression(CE, DL, TLI);
2602
2603       setVal(CurInst, InstResult);
2604     }
2605
2606     // If we just processed an invoke, we finished evaluating the block.
2607     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(CurInst)) {
2608       NextBB = II->getNormalDest();
2609       DEBUG(dbgs() << "Found an invoke instruction. Finished Block.\n\n");
2610       return true;
2611     }
2612
2613     // Advance program counter.
2614     ++CurInst;
2615   }
2616 }
2617
2618 /// EvaluateFunction - Evaluate a call to function F, returning true if
2619 /// successful, false if we can't evaluate it.  ActualArgs contains the formal
2620 /// arguments for the function.
2621 bool Evaluator::EvaluateFunction(Function *F, Constant *&RetVal,
2622                                  const SmallVectorImpl<Constant*> &ActualArgs) {
2623   // Check to see if this function is already executing (recursion).  If so,
2624   // bail out.  TODO: we might want to accept limited recursion.
2625   if (std::find(CallStack.begin(), CallStack.end(), F) != CallStack.end())
2626     return false;
2627
2628   CallStack.push_back(F);
2629
2630   // Initialize arguments to the incoming values specified.
2631   unsigned ArgNo = 0;
2632   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(), E = F->arg_end(); AI != E;
2633        ++AI, ++ArgNo)
2634     setVal(AI, ActualArgs[ArgNo]);
2635
2636   // ExecutedBlocks - We only handle non-looping, non-recursive code.  As such,
2637   // we can only evaluate any one basic block at most once.  This set keeps
2638   // track of what we have executed so we can detect recursive cases etc.
2639   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> ExecutedBlocks;
2640
2641   // CurBB - The current basic block we're evaluating.
2642   BasicBlock *CurBB = F->begin();
2643
2644   BasicBlock::iterator CurInst = CurBB->begin();
2645
2646   while (1) {
2647     BasicBlock *NextBB = nullptr; // Initialized to avoid compiler warnings.
2648     DEBUG(dbgs() << "Trying to evaluate BB: " << *CurBB << "\n");
2649
2650     if (!EvaluateBlock(CurInst, NextBB))
2651       return false;
2652
2653     if (!NextBB) {
2654       // Successfully running until there's no next block means that we found
2655       // the return.  Fill it the return value and pop the call stack.
2656       ReturnInst *RI = cast<ReturnInst>(CurBB->getTerminator());
2657       if (RI->getNumOperands())
2658         RetVal = getVal(RI->getOperand(0));
2659       CallStack.pop_back();
2660       return true;
2661     }
2662
2663     // Okay, we succeeded in evaluating this control flow.  See if we have
2664     // executed the new block before.  If so, we have a looping function,
2665     // which we cannot evaluate in reasonable time.
2666     if (!ExecutedBlocks.insert(NextBB))
2667       return false;  // looped!
2668
2669     // Okay, we have never been in this block before.  Check to see if there
2670     // are any PHI nodes.  If so, evaluate them with information about where
2671     // we came from.
2672     PHINode *PN = nullptr;
2673     for (CurInst = NextBB->begin();
2674          (PN = dyn_cast<PHINode>(CurInst)); ++CurInst)
2675       setVal(PN, getVal(PN->getIncomingValueForBlock(CurBB)));
2676
2677     // Advance to the next block.
2678     CurBB = NextBB;
2679   }
2680 }
2681
2682 /// EvaluateStaticConstructor - Evaluate static constructors in the function, if
2683 /// we can.  Return true if we can, false otherwise.
2684 static bool EvaluateStaticConstructor(Function *F, const DataLayout *DL,
2685                                       const TargetLibraryInfo *TLI) {
2686   // Call the function.
2687   Evaluator Eval(DL, TLI);
2688   Constant *RetValDummy;
2689   bool EvalSuccess = Eval.EvaluateFunction(F, RetValDummy,
2690                                            SmallVector<Constant*, 0>());
2691
2692   if (EvalSuccess) {
2693     ++NumCtorsEvaluated;
2694
2695     // We succeeded at evaluation: commit the result.
2696     DEBUG(dbgs() << "FULLY EVALUATED GLOBAL CTOR FUNCTION '"
2697           << F->getName() << "' to " << Eval.getMutatedMemory().size()
2698           << " stores.\n");
2699     for (DenseMap<Constant*, Constant*>::const_iterator I =
2700            Eval.getMutatedMemory().begin(), E = Eval.getMutatedMemory().end();
2701          I != E; ++I)
2702       CommitValueTo(I->second, I->first);
2703     for (SmallPtrSet<GlobalVariable*, 8>::const_iterator I =
2704            Eval.getInvariants().begin(), E = Eval.getInvariants().end();
2705          I != E; ++I)
2706       (*I)->setConstant(true);
2707   }
2708
2709   return EvalSuccess;
2710 }
2711
2712 static int compareNames(Constant *const *A, Constant *const *B) {
2713   return (*A)->getName().compare((*B)->getName());
2714 }
2715
2716 static void setUsedInitializer(GlobalVariable &V,
2717                                SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> Init) {
2718   if (Init.empty()) {
2719     V.eraseFromParent();
2720     return;
2721   }
2722
2723   // Type of pointer to the array of pointers.
2724   PointerType *Int8PtrTy = Type::getInt8PtrTy(V.getContext(), 0);
2725
2726   SmallVector<llvm::Constant *, 8> UsedArray;
2727   for (SmallPtrSet<GlobalValue *, 8>::iterator I = Init.begin(), E = Init.end();
2728        I != E; ++I) {
2729     Constant *Cast
2730       = ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(*I, Int8PtrTy);
2731     UsedArray.push_back(Cast);
2732   }
2733   // Sort to get deterministic order.
2734   array_pod_sort(UsedArray.begin(), UsedArray.end(), compareNames);
2735   ArrayType *ATy = ArrayType::get(Int8PtrTy, UsedArray.size());
2736
2737   Module *M = V.getParent();
2738   V.removeFromParent();
2739   GlobalVariable *NV =
2740       new GlobalVariable(*M, ATy, false, llvm::GlobalValue::AppendingLinkage,
2741                          llvm::ConstantArray::get(ATy, UsedArray), "");
2742   NV->takeName(&V);
2743   NV->setSection("llvm.metadata");
2744   delete &V;
2745 }
2746
2747 namespace {
2748 /// \brief An easy to access representation of llvm.used and llvm.compiler.used.
2749 class LLVMUsed {
2750   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> Used;
2751   SmallPtrSet<GlobalValue *, 8> CompilerUsed;
2752   GlobalVariable *UsedV;
2753   GlobalVariable *CompilerUsedV;
2754
2755 public:
2756   LLVMUsed(Module &M) {
2757     UsedV = collectUsedGlobalVariables(M, Used, false);
2758     CompilerUsedV = collectUsedGlobalVariables(M, CompilerUsed, true);
2759   }
2760   typedef SmallPtrSet<GlobalValue *, 8>::iterator iterator;
2761   iterator usedBegin() { return Used.begin(); }
2762   iterator usedEnd() { return Used.end(); }
2763   iterator compilerUsedBegin() { return CompilerUsed.begin(); }
2764   iterator compilerUsedEnd() { return CompilerUsed.end(); }
2765   bool usedCount(GlobalValue *GV) const { return Used.count(GV); }
2766   bool compilerUsedCount(GlobalValue *GV) const {
2767     return CompilerUsed.count(GV);
2768   }
2769   bool usedErase(GlobalValue *GV) { return Used.erase(GV); }
2770   bool compilerUsedErase(GlobalValue *GV) { return CompilerUsed.erase(GV); }
2771   bool usedInsert(GlobalValue *GV) { return Used.insert(GV); }
2772   bool compilerUsedInsert(GlobalValue *GV) { return CompilerUsed.insert(GV); }
2773
2774   void syncVariablesAndSets() {
2775     if (UsedV)
2776       setUsedInitializer(*UsedV, Used);
2777     if (CompilerUsedV)
2778       setUsedInitializer(*CompilerUsedV, CompilerUsed);
2779   }
2780 };
2781 }
2782
2783 static bool hasUseOtherThanLLVMUsed(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2784   if (GA.use_empty()) // No use at all.
2785     return false;
2786
2787   assert((!U.usedCount(&GA) || !U.compilerUsedCount(&GA)) &&
2788          "We should have removed the duplicated "
2789          "element from llvm.compiler.used");
2790   if (!GA.hasOneUse())
2791     // Strictly more than one use. So at least one is not in llvm.used and
2792     // llvm.compiler.used.
2793     return true;
2794
2795   // Exactly one use. Check if it is in llvm.used or llvm.compiler.used.
2796   return !U.usedCount(&GA) && !U.compilerUsedCount(&GA);
2797 }
2798
2799 static bool hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(GlobalValue &V,
2800                                                const LLVMUsed &U) {
2801   unsigned N = 2;
2802   assert((!U.usedCount(&V) || !U.compilerUsedCount(&V)) &&
2803          "We should have removed the duplicated "
2804          "element from llvm.compiler.used");
2805   if (U.usedCount(&V) || U.compilerUsedCount(&V))
2806     ++N;
2807   return V.hasNUsesOrMore(N);
2808 }
2809
2810 static bool mayHaveOtherReferences(GlobalAlias &GA, const LLVMUsed &U) {
2811   if (!GA.hasLocalLinkage())
2812     return true;
2813
2814   return U.usedCount(&GA) || U.compilerUsedCount(&GA);
2815 }
2816
2817 static bool hasUsesToReplace(GlobalAlias &GA, LLVMUsed &U, bool &RenameTarget) {
2818   RenameTarget = false;
2819   bool Ret = false;
2820   if (hasUseOtherThanLLVMUsed(GA, U))
2821     Ret = true;
2822
2823   // If the alias is externally visible, we may still be able to simplify it.
2824   if (!mayHaveOtherReferences(GA, U))
2825     return Ret;
2826
2827   // If the aliasee has internal linkage, give it the name and linkage
2828   // of the alias, and delete the alias.  This turns:
2829   //   define internal ... @f(...)
2830   //   @a = alias ... @f
2831   // into:
2832   //   define ... @a(...)
2833   Constant *Aliasee = GA.getAliasee();
2834   GlobalValue *Target = cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2835   if (!Target->hasLocalLinkage())
2836     return Ret;
2837
2838   // Do not perform the transform if multiple aliases potentially target the
2839   // aliasee. This check also ensures that it is safe to replace the section
2840   // and other attributes of the aliasee with those of the alias.
2841   if (hasMoreThanOneUseOtherThanLLVMUsed(*Target, U))
2842     return Ret;
2843
2844   RenameTarget = true;
2845   return true;
2846 }
2847
2848 bool GlobalOpt::OptimizeGlobalAliases(Module &M) {
2849   bool Changed = false;
2850   LLVMUsed Used(M);
2851
2852   for (SmallPtrSet<GlobalValue *, 8>::iterator I = Used.usedBegin(),
2853                                                E = Used.usedEnd();
2854        I != E; ++I)
2855     Used.compilerUsedErase(*I);
2856
2857   for (Module::alias_iterator I = M.alias_begin(), E = M.alias_end();
2858        I != E;) {
2859     Module::alias_iterator J = I++;
2860     // Aliases without names cannot be referenced outside this module.
2861     if (!J->hasName() && !J->isDeclaration())
2862       J->setLinkage(GlobalValue::InternalLinkage);
2863     // If the aliasee may change at link time, nothing can be done - bail out.
2864     if (J->mayBeOverridden())
2865       continue;
2866
2867     Constant *Aliasee = J->getAliasee();
2868     GlobalValue *Target = cast<GlobalValue>(Aliasee->stripPointerCasts());
2869     Target->removeDeadConstantUsers();
2870
2871     // Make all users of the alias use the aliasee instead.
2872     bool RenameTarget;
2873     if (!hasUsesToReplace(*J, Used, RenameTarget))
2874       continue;
2875
2876     J->replaceAllUsesWith(ConstantExpr::getBitCast(Aliasee, J->getType()));
2877     ++NumAliasesResolved;
2878     Changed = true;
2879
2880     if (RenameTarget) {
2881       // Give the aliasee the name, linkage and other attributes of the alias.
2882       Target->takeName(J);
2883       Target->setLinkage(J->getLinkage());
2884       Target->setVisibility(J->getVisibility());
2885       Target->setDLLStorageClass(J->getDLLStorageClass());
2886
2887       if (Used.usedErase(J))
2888         Used.usedInsert(Target);
2889
2890       if (Used.compilerUsedErase(J))
2891         Used.compilerUsedInsert(Target);
2892     } else if (mayHaveOtherReferences(*J, Used))
2893       continue;
2894
2895     // Delete the alias.
2896     M.getAliasList().erase(J);
2897     ++NumAliasesRemoved;
2898     Changed = true;
2899   }
2900
2901   Used.syncVariablesAndSets();
2902
2903   return Changed;
2904 }
2905
2906 static Function *FindCXAAtExit(Module &M, TargetLibraryInfo *TLI) {
2907   if (!TLI->has(LibFunc::cxa_atexit))
2908     return nullptr;
2909
2910   Function *Fn = M.getFunction(TLI->getName(LibFunc::cxa_atexit));
2911
2912   if (!Fn)
2913     return nullptr;
2914
2915   FunctionType *FTy = Fn->getFunctionType();
2916
2917   // Checking that the function has the right return type, the right number of
2918   // parameters and that they all have pointer types should be enough.
2919   if (!FTy->getReturnType()->isIntegerTy() ||
2920       FTy->getNumParams() != 3 ||
2921       !FTy->getParamType(0)->isPointerTy() ||
2922       !FTy->getParamType(1)->isPointerTy() ||
2923       !FTy->getParamType(2)->isPointerTy())
2924     return nullptr;
2925
2926   return Fn;
2927 }
2928
2929 /// cxxDtorIsEmpty - Returns whether the given function is an empty C++
2930 /// destructor and can therefore be eliminated.
2931 /// Note that we assume that other optimization passes have already simplified
2932 /// the code so we only look for a function with a single basic block, where
2933 /// the only allowed instructions are 'ret', 'call' to an empty C++ dtor and
2934 /// other side-effect free instructions.
2935 static bool cxxDtorIsEmpty(const Function &Fn,
2936                            SmallPtrSet<const Function *, 8> &CalledFunctions) {
2937   // FIXME: We could eliminate C++ destructors if they're readonly/readnone and
2938   // nounwind, but that doesn't seem worth doing.
2939   if (Fn.isDeclaration())
2940     return false;
2941
2942   if (++Fn.begin() != Fn.end())
2943     return false;
2944
2945   const BasicBlock &EntryBlock = Fn.getEntryBlock();
2946   for (BasicBlock::const_iterator I = EntryBlock.begin(), E = EntryBlock.end();
2947        I != E; ++I) {
2948     if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I)) {
2949       // Ignore debug intrinsics.
2950       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(CI))
2951         continue;
2952
2953       const Function *CalledFn = CI->getCalledFunction();
2954
2955       if (!CalledFn)
2956         return false;
2957
2958       SmallPtrSet<const Function *, 8> NewCalledFunctions(CalledFunctions);
2959
2960       // Don't treat recursive functions as empty.
2961       if (!NewCalledFunctions.insert(CalledFn))
2962         return false;
2963
2964       if (!cxxDtorIsEmpty(*CalledFn, NewCalledFunctions))
2965         return false;
2966     } else if (isa<ReturnInst>(*I))
2967       return true; // We're done.
2968     else if (I->mayHaveSideEffects())
2969       return false; // Destructor with side effects, bail.
2970   }
2971
2972   return false;
2973 }
2974
2975 bool GlobalOpt::OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(Function *CXAAtExitFn) {
2976   /// Itanium C++ ABI p3.3.5:
2977   ///
2978   ///   After constructing a global (or local static) object, that will require
2979   ///   destruction on exit, a termination function is registered as follows:
2980   ///
2981   ///   extern "C" int __cxa_atexit ( void (*f)(void *), void *p, void *d );
2982   ///
2983   ///   This registration, e.g. __cxa_atexit(f,p,d), is intended to cause the
2984   ///   call f(p) when DSO d is unloaded, before all such termination calls
2985   ///   registered before this one. It returns zero if registration is
2986   ///   successful, nonzero on failure.
2987
2988   // This pass will look for calls to __cxa_atexit where the function is trivial
2989   // and remove them.
2990   bool Changed = false;
2991
2992   for (auto I = CXAAtExitFn->user_begin(), E = CXAAtExitFn->user_end();
2993        I != E;) {
2994     // We're only interested in calls. Theoretically, we could handle invoke
2995     // instructions as well, but neither llvm-gcc nor clang generate invokes
2996     // to __cxa_atexit.
2997     CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(*I++);
2998     if (!CI)
2999       continue;
3000
3001     Function *DtorFn =
3002       dyn_cast<Function>(CI->getArgOperand(0)->stripPointerCasts());
3003     if (!DtorFn)
3004       continue;
3005
3006     SmallPtrSet<const Function *, 8> CalledFunctions;
3007     if (!cxxDtorIsEmpty(*DtorFn, CalledFunctions))
3008       continue;
3009
3010     // Just remove the call.
3011     CI->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(CI->getType()));
3012     CI->eraseFromParent();
3013
3014     ++NumCXXDtorsRemoved;
3015
3016     Changed |= true;
3017   }
3018
3019   return Changed;
3020 }
3021
3022 bool GlobalOpt::runOnModule(Module &M) {
3023   bool Changed = false;
3024
3025   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
3026   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
3027   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
3028
3029   bool LocalChange = true;
3030   while (LocalChange) {
3031     LocalChange = false;
3032
3033     // Delete functions that are trivially dead, ccc -> fastcc
3034     LocalChange |= OptimizeFunctions(M);
3035
3036     // Optimize global_ctors list.
3037     LocalChange |= optimizeGlobalCtorsList(M, [&](Function *F) {
3038       return EvaluateStaticConstructor(F, DL, TLI);
3039     });
3040
3041     // Optimize non-address-taken globals.
3042     LocalChange |= OptimizeGlobalVars(M);
3043
3044     // Resolve aliases, when possible.
3045     LocalChange |= OptimizeGlobalAliases(M);
3046
3047     // Try to remove trivial global destructors if they are not removed
3048     // already.
3049     Function *CXAAtExitFn = FindCXAAtExit(M, TLI);
3050     if (CXAAtExitFn)
3051       LocalChange |= OptimizeEmptyGlobalCXXDtors(CXAAtExitFn);
3052
3053     Changed |= LocalChange;
3054   }
3055
3056   // TODO: Move all global ctors functions to the end of the module for code
3057   // layout.
3058
3059   return Changed;
3060 }