1ce0cbc1c4a89cb423ebaa669757fb018a0aa997
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
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 performs loop invariant code motion, attempting to remove as much
11 // code from the body of a loop as possible.  It does this by either hoisting
12 // code into the preheader block, or by sinking code to the exit blocks if it is
13 // safe.  This pass also promotes must-aliased memory locations in the loop to
14 // live in registers, thus hoisting and sinking "invariant" loads and stores.
15 //
16 // This pass uses alias analysis for two purposes:
17 //
18 //  1. Moving loop invariant loads and calls out of loops.  If we can determine
19 //     that a load or call inside of a loop never aliases anything stored to,
20 //     we can hoist it or sink it like any other instruction.
21 //  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
22 //     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
23 //     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
24 //       A. The pointer stored through is loop invariant
25 //       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
26 //          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
27 //     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
28 //     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
29 //     the SSAUpdater to construct the appropriate SSA form for the value.
30 //
31 //===----------------------------------------------------------------------===//
32
33 #define DEBUG_TYPE "licm"
34 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
37 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
38 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
40 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
41 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
42 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
43 #include "llvm/IR/Constants.h"
44 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
45 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
46 #include "llvm/IR/Dominators.h"
47 #include "llvm/IR/Instructions.h"
48 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
49 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
50 #include "llvm/IR/Metadata.h"
51 #include "llvm/Support/CFG.h"
52 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
53 #include "llvm/Support/Debug.h"
54 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
55 #include "llvm/Target/TargetLibraryInfo.h"
56 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
57 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
59 #include <algorithm>
60 using namespace llvm;
61
62 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
63 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
64 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
65 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
66 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
67
68 static cl::opt<bool>
69 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
70                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
71
72 namespace {
73   struct LICM : public LoopPass {
74     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
75     LICM() : LoopPass(ID) {
76       initializeLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
77     }
78
79     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
80
81     /// This transformation requires natural loop information & requires that
82     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
83     ///
84     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
85       AU.setPreservesCFG();
86       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
87       AU.addRequired<LoopInfo>();
88       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
89       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
90       AU.addRequiredID(LCSSAID);
91       AU.addPreservedID(LCSSAID);
92       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
93       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
94       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
95       AU.addRequired<TargetLibraryInfo>();
96     }
97
98     using llvm::Pass::doFinalization;
99
100     bool doFinalization() {
101       assert(LoopToAliasSetMap.empty() && "Didn't free loop alias sets");
102       return false;
103     }
104
105   private:
106     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
107     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
108     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop.
109
110     DataLayout *TD;          // DataLayout for constant folding.
111     TargetLibraryInfo *TLI;  // TargetLibraryInfo for constant folding.
112
113     // State that is updated as we process loops.
114     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
115     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
116     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
117     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
118     bool MayThrow;           // The current loop contains an instruction which
119                              // may throw, thus preventing code motion of
120                              // instructions with side effects.
121     DenseMap<Loop*, AliasSetTracker*> LoopToAliasSetMap;
122
123     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
124     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
125
126     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
127     /// set.
128     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
129
130     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
131     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
132     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
133     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
134     /// pass without iteration.
135     ///
136     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
137
138     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
139     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
140     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
141     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
142     /// pass without iteration.
143     ///
144     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
145
146     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
147     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
148     ///
149     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
150       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
151       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
152     }
153
154     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
155     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
156     /// needed.
157     ///
158     void sink(Instruction &I);
159
160     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
161     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
162     ///
163     void hoist(Instruction &I);
164
165     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
166     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
167     /// guaranteed to execute.
168     ///
169     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
170
171     /// isGuaranteedToExecute - Check that the instruction is guaranteed to
172     /// execute.
173     ///
174     bool isGuaranteedToExecute(Instruction &I);
175
176     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
177     /// store into the memory location pointed to by V.
178     ///
179     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, uint64_t Size,
180                                   const MDNode *TBAAInfo) {
181       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
182       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size, TBAAInfo).isMod();
183     }
184
185     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
186     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
187
188     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
189                          SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
190                          SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts);
191   };
192 }
193
194 char LICM::ID = 0;
195 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
196 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
197 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
198 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
199 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
200 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
201 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfo)
202 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
203 INITIALIZE_PASS_END(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false)
204
205 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
206
207 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
208 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple
209 /// times on one loop.
210 ///
211 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
212   Changed = false;
213
214   // Get our Loop and Alias Analysis information...
215   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
216   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
217   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
218
219   TD = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
220   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfo>();
221
222   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
223   // Collect Alias info from subloops.
224   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
225        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
226     Loop *InnerL = *LoopItr;
227     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasSetMap[InnerL];
228     assert(InnerAST && "Where is my AST?");
229
230     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
231     CurAST->add(*InnerAST);
232
233     // Once we've incorporated the inner loop's AST into ours, we don't need the
234     // subloop's anymore.
235     delete InnerAST;
236     LoopToAliasSetMap.erase(InnerL);
237   }
238
239   CurLoop = L;
240
241   // Get the preheader block to move instructions into...
242   Preheader = L->getLoopPreheader();
243
244   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
245   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
246   // subloops.
247   //
248   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
249        I != E; ++I) {
250     BasicBlock *BB = *I;
251     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops.
252       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
253   }
254
255   MayThrow = false;
256   // TODO: We've already searched for instructions which may throw in subloops.
257   // We may want to reuse this information.
258   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), BBE = L->block_end();
259        (BB != BBE) && !MayThrow ; ++BB)
260     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end();
261          (I != E) && !MayThrow; ++I)
262       MayThrow |= I->mayThrow();
263
264   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
265   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
266   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
267   // the subloops).
268   //
269   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
270   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
271   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
272   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
273   //
274   if (L->hasDedicatedExits())
275     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
276   if (Preheader)
277     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
278
279   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
280   // memory references to scalars that we can.
281   if (!DisablePromotion && (Preheader || L->hasDedicatedExits())) {
282     SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
283     SmallVector<Instruction *, 8> InsertPts;
284
285     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
286     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
287          I != E; ++I)
288       PromoteAliasSet(*I, ExitBlocks, InsertPts);
289
290     // Once we have promoted values across the loop body we have to recursively
291     // reform LCSSA as any nested loop may now have values defined within the
292     // loop used in the outer loop.
293     // FIXME: This is really heavy handed. It would be a bit better to use an
294     // SSAUpdater strategy during promotion that was LCSSA aware and reformed
295     // it as it went.
296     if (Changed)
297       formLCSSARecursively(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
298
299   } else if (Changed) {
300     // If we have successfully changed the loop but not used SSAUpdater to
301     // re-write instructions throughout the loop body, re-form LCSSA just for
302     // this loop.
303     formLCSSA(*L, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
304   }
305
306   // Regardless of how we changed the loop, reform LCSSA on its parent as
307   // hoisting or sinking could have disrupted it.
308   if (Changed)
309     if (Loop *ParentL = L->getParentLoop())
310       formLCSSA(*ParentL, *DT, getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>());
311
312   // Clear out loops state information for the next iteration
313   CurLoop = 0;
314   Preheader = 0;
315
316   // If this loop is nested inside of another one, save the alias information
317   // for when we process the outer loop.
318   if (L->getParentLoop())
319     LoopToAliasSetMap[L] = CurAST;
320   else
321     delete CurAST;
322   return Changed;
323 }
324
325 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
326 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
327 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
328 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
329 /// iteration.
330 ///
331 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
332   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
333   BasicBlock *BB = N->getBlock();
334
335   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
336   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
337
338   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first.
339   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
340   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
341     SinkRegion(Children[i]);
342
343   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
344   // subloop (which would already have been processed).
345   if (inSubLoop(BB)) return;
346
347   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
348     Instruction &I = *--II;
349
350     // If the instruction is dead, we would try to sink it because it isn't used
351     // in the loop, instead, just delete it.
352     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
353       DEBUG(dbgs() << "LICM deleting dead inst: " << I << '\n');
354       ++II;
355       CurAST->deleteValue(&I);
356       I.eraseFromParent();
357       Changed = true;
358       continue;
359     }
360
361     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
362     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
363     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
364     // operands of the instruction are loop invariant.
365     //
366     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
367       ++II;
368       sink(I);
369     }
370   }
371 }
372
373 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
374 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
375 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
376 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
377 ///
378 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
379   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
380   BasicBlock *BB = N->getBlock();
381
382   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
383   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
384
385   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
386   // subloop (which would already have been processed).
387   if (!inSubLoop(BB))
388     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
389       Instruction &I = *II++;
390
391       // Try constant folding this instruction.  If all the operands are
392       // constants, it is technically hoistable, but it would be better to just
393       // fold it.
394       if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(&I, TD, TLI)) {
395         DEBUG(dbgs() << "LICM folding inst: " << I << "  --> " << *C << '\n');
396         CurAST->copyValue(&I, C);
397         CurAST->deleteValue(&I);
398         I.replaceAllUsesWith(C);
399         I.eraseFromParent();
400         continue;
401       }
402
403       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
404       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
405       // is safe to hoist the instruction.
406       //
407       if (CurLoop->hasLoopInvariantOperands(&I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
408           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
409         hoist(I);
410     }
411
412   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
413   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
414     HoistRegion(Children[i]);
415 }
416
417 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
418 /// instruction.
419 ///
420 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
421   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
422   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
423     if (!LI->isUnordered())
424       return false;        // Don't hoist volatile/atomic loads!
425
426     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
427     // in the same alias set as something that ends up being modified.
428     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
429       return true;
430     if (LI->getMetadata("invariant.load"))
431       return true;
432
433     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
434     uint64_t Size = 0;
435     if (LI->getType()->isSized())
436       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
437     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size,
438                                      LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
439   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
440     // Don't sink or hoist dbg info; it's legal, but not useful.
441     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
442       return false;
443
444     // Handle simple cases by querying alias analysis.
445     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
446     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
447       return true;
448     if (AliasAnalysis::onlyReadsMemory(Behavior)) {
449       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
450       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
451       bool FoundMod = false;
452       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
453            I != E; ++I) {
454         AliasSet &AS = *I;
455         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
456           FoundMod = true;
457           break;
458         }
459       }
460       if (!FoundMod) return true;
461     }
462
463     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or
464     // sink the call.
465
466     return false;
467   }
468
469   // Only these instructions are hoistable/sinkable.
470   if (!isa<BinaryOperator>(I) && !isa<CastInst>(I) && !isa<SelectInst>(I) &&
471       !isa<GetElementPtrInst>(I) && !isa<CmpInst>(I) &&
472       !isa<InsertElementInst>(I) && !isa<ExtractElementInst>(I) &&
473       !isa<ShuffleVectorInst>(I) && !isa<ExtractValueInst>(I) &&
474       !isa<InsertValueInst>(I))
475     return false;
476
477   return isSafeToExecuteUnconditionally(I);
478 }
479
480 /// \brief Returns true if a PHINode is a trivially replaceable with an
481 /// Instruction.
482 ///
483 /// This is true when all incoming values are that instruction. This pattern
484 /// occurs most often with LCSSA PHI nodes.
485 static bool isTriviallyReplacablePHI(PHINode &PN, Instruction &I) {
486   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
487     if (PN.getIncomingValue(i) != &I)
488       return false;
489
490   return true;
491 }
492
493 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
494 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
495 /// exit blocks of the loop.
496 ///
497 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
498   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
499     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
500     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
501       // A PHI node where all of the incoming values are this instruction are
502       // special -- they can just be RAUW'ed with the instruction and thus
503       // don't require a use in the predecessor. This is a particular important
504       // special case because it is the pattern found in LCSSA form.
505       if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
506         if (CurLoop->contains(PN))
507           return false;
508         else
509           continue;
510       }
511
512       // Otherwise, PHI node uses occur in predecessor blocks if the incoming
513       // values. Check for such a use being inside the loop.
514       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
515         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
516           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
517             return false;
518
519       continue;
520     }
521
522     if (CurLoop->contains(User))
523       return false;
524   }
525   return true;
526 }
527
528 static BasicBlock::iterator
529 replaceTrivialPHIsAndGetInsertionPt(BasicBlock &BB, Instruction &I) {
530   BasicBlock::iterator II = BB.begin();
531   while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II)) {
532     ++II;
533     if (isTriviallyReplacablePHI(*PN, I)) {
534       PN->replaceAllUsesWith(&I);
535       PN->eraseFromParent();
536     }
537   }
538   if (isa<LandingPadInst>(II))
539     ++II;
540
541   return II;
542 }
543
544 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
545 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
546 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
547 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
548 ///
549 void LICM::sink(Instruction &I) {
550   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
551
552   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
553   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
554
555   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
556   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
557   ++NumSunk;
558   Changed = true;
559
560   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
561   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
562   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
563   if (ExitBlocks.size() == 1) {
564     if (!DT->dominates(I.getParent(), ExitBlocks[0])) {
565       // Instruction is not used, just delete it.
566       CurAST->deleteValue(&I);
567       // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
568       // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
569       // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
570       if (!I.use_empty())
571         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
572       I.eraseFromParent();
573     } else {
574       // Look for any LCSSA PHI nodes for this instruction in the exit blocks
575       // and replace them.
576       BasicBlock::iterator II =
577           replaceTrivialPHIsAndGetInsertionPt(*ExitBlocks[0], I);
578
579       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
580       // nodes in it.
581       I.moveBefore(II);
582
583       // This instruction is no longer in the AST for the current loop, because
584       // we just sunk it out of the loop.  If we just sunk it into an outer
585       // loop, we will rediscover the operation when we process it.
586       CurAST->deleteValue(&I);
587     }
588     return;
589   }
590
591   if (ExitBlocks.empty()) {
592     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
593     CurAST->deleteValue(&I);
594     // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
595     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
596     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
597     if (!I.use_empty())
598       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
599     I.eraseFromParent();
600     return;
601   }
602
603   // Otherwise, if we have multiple exits, use the SSAUpdater to do all of the
604   // hard work of inserting PHI nodes as necessary.
605   SmallVector<PHINode*, 8> NewPHIs;
606   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
607
608   if (!I.use_empty())
609     SSA.Initialize(I.getType(), I.getName());
610
611   // Insert a copy of the instruction in each exit block of the loop that is
612   // dominated by the instruction.  Each exit block is known to only be in the
613   // ExitBlocks list once.
614   BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
615   unsigned NumInserted = 0;
616
617   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
618     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
619
620     if (!DT->dominates(InstOrigBB, ExitBlock))
621       continue;
622
623     // Look for any LCSSA PHI nodes for this instruction in the exit blocks
624     // and replace them. Then get the insertion point after the last PHI.
625     BasicBlock::iterator InsertPt =
626       replaceTrivialPHIsAndGetInsertionPt(*ExitBlock, I);
627
628     // If this is the first exit block processed, just move the original
629     // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
630     // the copy.
631     Instruction *New;
632     if (NumInserted++ == 0) {
633       I.moveBefore(InsertPt);
634       New = &I;
635     } else {
636       New = I.clone();
637       if (!I.getName().empty())
638         New->setName(I.getName()+".le");
639       ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
640     }
641
642     // Now that we have inserted the instruction, inform SSAUpdater.
643     if (!I.use_empty())
644       SSA.AddAvailableValue(ExitBlock, New);
645   }
646
647   // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
648   if (NumInserted == 0) {
649     CurAST->deleteValue(&I);
650     if (!I.use_empty())
651       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
652     I.eraseFromParent();
653     return;
654   }
655
656   // Next, rewrite uses of the instruction, inserting PHI nodes as needed.
657   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE; ) {
658     // Grab the use before incrementing the iterator.
659     Use &U = UI.getUse();
660     // Increment the iterator before removing the use from the list.
661     ++UI;
662     SSA.RewriteUseAfterInsertions(U);
663   }
664
665   // Update CurAST for NewPHIs if I had pointer type.
666   if (I.getType()->isPointerTy())
667     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
668       CurAST->copyValue(&I, NewPHIs[i]);
669
670   // Finally, remove the instruction from CurAST.  It is no longer in the loop.
671   CurAST->deleteValue(&I);
672 }
673
674 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
675 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
676 ///
677 void LICM::hoist(Instruction &I) {
678   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
679         << I << "\n");
680
681   // Move the new node to the Preheader, before its terminator.
682   I.moveBefore(Preheader->getTerminator());
683
684   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
685   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
686   ++NumHoisted;
687   Changed = true;
688 }
689
690 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
691 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
692 /// guaranteed to execute.
693 ///
694 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
695   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
696   if (isSafeToSpeculativelyExecute(&Inst))
697     return true;
698
699   return isGuaranteedToExecute(Inst);
700 }
701
702 bool LICM::isGuaranteedToExecute(Instruction &Inst) {
703
704   // Somewhere in this loop there is an instruction which may throw and make us
705   // exit the loop.
706   if (MayThrow)
707     return false;
708
709   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
710   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
711   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
712
713   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
714   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
715   // is a common case, and can save some work, check it now.
716   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
717     return true;
718
719   // Get the exit blocks for the current loop.
720   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
721   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
722
723   // Verify that the block dominates each of the exit blocks of the loop.
724   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
725     if (!DT->dominates(Inst.getParent(), ExitBlocks[i]))
726       return false;
727
728   // As a degenerate case, if the loop is statically infinite then we haven't
729   // proven anything since there are no exit blocks.
730   if (ExitBlocks.empty())
731     return false;
732
733   return true;
734 }
735
736 namespace {
737   class LoopPromoter : public LoadAndStorePromoter {
738     Value *SomePtr;  // Designated pointer to store to.
739     SmallPtrSet<Value*, 4> &PointerMustAliases;
740     SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LoopExitBlocks;
741     SmallVectorImpl<Instruction*> &LoopInsertPts;
742     AliasSetTracker &AST;
743     DebugLoc DL;
744     int Alignment;
745     MDNode *TBAATag;
746   public:
747     LoopPromoter(Value *SP,
748                  const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
749                  SmallPtrSet<Value*, 4> &PMA,
750                  SmallVectorImpl<BasicBlock*> &LEB,
751                  SmallVectorImpl<Instruction*> &LIP,
752                  AliasSetTracker &ast, DebugLoc dl, int alignment,
753                  MDNode *TBAATag)
754       : LoadAndStorePromoter(Insts, S), SomePtr(SP),
755         PointerMustAliases(PMA), LoopExitBlocks(LEB), LoopInsertPts(LIP),
756         AST(ast), DL(dl), Alignment(alignment), TBAATag(TBAATag) {}
757
758     virtual bool isInstInList(Instruction *I,
759                               const SmallVectorImpl<Instruction*> &) const {
760       Value *Ptr;
761       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
762         Ptr = LI->getOperand(0);
763       else
764         Ptr = cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand();
765       return PointerMustAliases.count(Ptr);
766     }
767
768     virtual void doExtraRewritesBeforeFinalDeletion() const {
769       // Insert stores after in the loop exit blocks.  Each exit block gets a
770       // store of the live-out values that feed them.  Since we've already told
771       // the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
772       // definition, it is all set and we can start using it.
773       for (unsigned i = 0, e = LoopExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
774         BasicBlock *ExitBlock = LoopExitBlocks[i];
775         Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
776         Instruction *InsertPos = LoopInsertPts[i];
777         StoreInst *NewSI = new StoreInst(LiveInValue, SomePtr, InsertPos);
778         NewSI->setAlignment(Alignment);
779         NewSI->setDebugLoc(DL);
780         if (TBAATag) NewSI->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
781       }
782     }
783
784     virtual void replaceLoadWithValue(LoadInst *LI, Value *V) const {
785       // Update alias analysis.
786       AST.copyValue(LI, V);
787     }
788     virtual void instructionDeleted(Instruction *I) const {
789       AST.deleteValue(I);
790     }
791   };
792 } // end anon namespace
793
794 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
795 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
796 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
797 /// which are loop invariant.
798 ///
799 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS,
800                            SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
801                            SmallVectorImpl<Instruction*> &InsertPts) {
802   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
803   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
804   // volatile loads or stores.
805   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
806       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
807     return;
808
809   assert(!AS.empty() &&
810          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
811   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
812
813   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
814   // conditional.  For example, turning:
815   //
816   //    for () { if (c) *P += 1; }
817   //
818   // into:
819   //
820   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
821   //
822   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
823   //
824   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
825   // least one is guaranteed to be executed.
826   bool GuaranteedToExecute = false;
827
828   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
829   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
830
831   // We start with an alignment of one and try to find instructions that allow
832   // us to prove better alignment.
833   unsigned Alignment = 1;
834   MDNode *TBAATag = 0;
835
836   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
837   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
838   // different sizes.  While we are at it, collect alignment and TBAA info.
839   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
840     Value *ASIV = ASI->getValue();
841     PointerMustAliases.insert(ASIV);
842
843     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
844     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
845     // different sizes.
846     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
847       return;
848
849     for (Value::use_iterator UI = ASIV->use_begin(), UE = ASIV->use_end();
850          UI != UE; ++UI) {
851       // Ignore instructions that are outside the loop.
852       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
853       if (!Use || !CurLoop->contains(Use))
854         continue;
855
856       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
857       // it.
858       if (LoadInst *load = dyn_cast<LoadInst>(Use)) {
859         assert(!load->isVolatile() && "AST broken");
860         if (!load->isSimple())
861           return;
862       } else if (StoreInst *store = dyn_cast<StoreInst>(Use)) {
863         // Stores *of* the pointer are not interesting, only stores *to* the
864         // pointer.
865         if (Use->getOperand(1) != ASIV)
866           continue;
867         assert(!store->isVolatile() && "AST broken");
868         if (!store->isSimple())
869           return;
870
871         // Note that we only check GuaranteedToExecute inside the store case
872         // so that we do not introduce stores where they did not exist before
873         // (which would break the LLVM concurrency model).
874
875         // If the alignment of this instruction allows us to specify a more
876         // restrictive (and performant) alignment and if we are sure this
877         // instruction will be executed, update the alignment.
878         // Larger is better, with the exception of 0 being the best alignment.
879         unsigned InstAlignment = store->getAlignment();
880         if ((InstAlignment > Alignment || InstAlignment == 0) && Alignment != 0)
881           if (isGuaranteedToExecute(*Use)) {
882             GuaranteedToExecute = true;
883             Alignment = InstAlignment;
884           }
885
886         if (!GuaranteedToExecute)
887           GuaranteedToExecute = isGuaranteedToExecute(*Use);
888
889       } else
890         return; // Not a load or store.
891
892       // Merge the TBAA tags.
893       if (LoopUses.empty()) {
894         // On the first load/store, just take its TBAA tag.
895         TBAATag = Use->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
896       } else if (TBAATag) {
897         TBAATag = MDNode::getMostGenericTBAA(TBAATag,
898                                        Use->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa));
899       }
900       
901       LoopUses.push_back(Use);
902     }
903   }
904
905   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
906   if (!GuaranteedToExecute)
907     return;
908
909   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
910   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');
911   Changed = true;
912   ++NumPromoted;
913
914   // Grab a debug location for the inserted loads/stores; given that the
915   // inserted loads/stores have little relation to the original loads/stores,
916   // this code just arbitrarily picks a location from one, since any debug
917   // location is better than none.
918   DebugLoc DL = LoopUses[0]->getDebugLoc();
919
920   // Figure out the loop exits and their insertion points, if this is the
921   // first promotion.
922   if (ExitBlocks.empty()) {
923     CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
924     InsertPts.resize(ExitBlocks.size());
925     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
926       InsertPts[i] = ExitBlocks[i]->getFirstInsertionPt();
927   }
928
929   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
930   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
931   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
932   LoopPromoter Promoter(SomePtr, LoopUses, SSA, PointerMustAliases, ExitBlocks,
933                         InsertPts, *CurAST, DL, Alignment, TBAATag);
934
935   // Set up the preheader to have a definition of the value.  It is the live-out
936   // value from the preheader that uses in the loop will use.
937   LoadInst *PreheaderLoad =
938     new LoadInst(SomePtr, SomePtr->getName()+".promoted",
939                  Preheader->getTerminator());
940   PreheaderLoad->setAlignment(Alignment);
941   PreheaderLoad->setDebugLoc(DL);
942   if (TBAATag) PreheaderLoad->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
943   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
944
945   // Rewrite all the loads in the loop and remember all the definitions from
946   // stores in the loop.
947   Promoter.run(LoopUses);
948
949   // If the SSAUpdater didn't use the load in the preheader, just zap it now.
950   if (PreheaderLoad->use_empty())
951     PreheaderLoad->eraseFromParent();
952 }
953
954
955 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
956 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
957   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
958   if (!AST)
959     return;
960
961   AST->copyValue(From, To);
962 }
963
964 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
965 /// set.
966 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
967   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasSetMap.lookup(L);
968   if (!AST)
969     return;
970
971   AST->deleteValue(V);
972 }