669afa33ac9463f33672ebb04c8f4fa7727b86ec
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass 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 mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
30 //     variable.
31 //
32 //===----------------------------------------------------------------------===//
33
34 #define DEBUG_TYPE "licm"
35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
36 #include "llvm/Constants.h"
37 #include "llvm/DerivedTypes.h"
38 #include "llvm/Instructions.h"
39 #include "llvm/Target/TargetData.h"
40 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
41 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
42 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
43 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
44 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
45 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include "llvm/Support/Compiler.h"
49 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
50 #include "llvm/Support/Debug.h"
51 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
52 #include <algorithm>
53 using namespace llvm;
54
55 STATISTIC(NumSunk      , "Number of instructions sunk out of loop");
56 STATISTIC(NumHoisted   , "Number of instructions hoisted out of loop");
57 STATISTIC(NumMovedLoads, "Number of load insts hoisted or sunk");
58 STATISTIC(NumMovedCalls, "Number of call insts hoisted or sunk");
59 STATISTIC(NumPromoted  , "Number of memory locations promoted to registers");
60
61 namespace {
62   cl::opt<bool>
63   DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
64                    cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
65
66   struct VISIBILITY_HIDDEN LICM : public LoopPass {
67     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
68     LICM() : LoopPass((intptr_t)&ID) {}
69
70     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
71
72     /// This transformation requires natural loop information & requires that
73     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
74     ///
75     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
76       AU.setPreservesCFG();
77       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
78       AU.addRequired<LoopInfo>();
79       AU.addRequired<DominatorTree>();
80       AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
81       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
82       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
83       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
84     }
85
86     bool doFinalization() {
87       LoopToAliasMap.clear();
88       return false;
89     }
90
91   private:
92     // Various analyses that we use...
93     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
94     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
95     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
96     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
97
98     // State that is updated as we process loops
99     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
100     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
101     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
102     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
103     std::map<Loop *, AliasSetTracker *> LoopToAliasMap;
104
105     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
106     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
107
108     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
109     /// set.
110     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
111
112     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
113     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
114     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
115     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
116     /// pass without iteration.
117     ///
118     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
119
120     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
121     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
122     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
123     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
124     /// pass without iteration.
125     ///
126     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
127
128     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
129     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
130     ///
131     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
132       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
133       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
134         if ((*I)->contains(BB))
135           return true;  // A subloop actually contains this block!
136       return false;
137     }
138
139     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
140     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
141     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
142     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
143     /// searched.
144     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
145                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
146       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
147       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
148       if (BlockInLoop == LoopHeader)
149         return true;
150
151       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
152       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
153
154       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
155       // least_ its immediate dominator.
156       do {
157         // Get next Immediate Dominator.
158         IDom = IDom->getIDom();
159
160         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
161         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
162         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
163           return false;
164
165       } while (IDom != BlockInLoopNode);
166
167       return true;
168     }
169
170     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
171     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
172     /// needed.
173     ///
174     void sink(Instruction &I);
175
176     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
177     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
178     ///
179     void hoist(Instruction &I);
180
181     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
182     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
183     /// guaranteed to execute.
184     ///
185     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
186
187     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
188     /// store into the memory location pointed to by V.
189     ///
190     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, unsigned Size) {
191       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
192       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size).isMod();
193     }
194
195     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
196     bool isLoopInvariantInst(Instruction &I);
197     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
198
199     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
200     /// to scalars as we can.
201     ///
202     void PromoteValuesInLoop();
203
204     /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
205     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
206     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
207     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
208     /// alloca...
209     ///
210     void FindPromotableValuesInLoop(
211                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
212                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
213   };
214
215   char LICM::ID = 0;
216   RegisterPass<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
217 }
218
219 LoopPass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
220
221 /// Hoist expressions out of the specified loop...
222 ///
223 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
224   Changed = false;
225
226   // Get our Loop and Alias Analysis information...
227   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
228   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
229   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
230   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
231
232   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
233   // Collect Alias info from subloops
234   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
235        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
236     Loop *InnerL = *LoopItr;
237     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasMap[InnerL];
238     assert (InnerAST && "Where is my AST?");
239
240     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
241     CurAST->add(*InnerAST);
242   }
243   
244   CurLoop = L;
245
246   // Get the preheader block to move instructions into...
247   Preheader = L->getLoopPreheader();
248   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
249
250   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
251   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
252   // subloops.
253   //
254   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = L->getBlocks().begin(),
255          E = L->getBlocks().end(); I != E; ++I)
256     if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
257       CurAST->add(**I);                 // Incorporate the specified basic block
258
259   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
260   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
261   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
262   // the subloops).
263   //
264   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
265   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
266   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  AFter sinking
267   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
268   //
269   SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
270   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
271
272   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
273   // memory references to scalars that we can...
274   if (!DisablePromotion)
275     PromoteValuesInLoop();
276
277   // Clear out loops state information for the next iteration
278   CurLoop = 0;
279   Preheader = 0;
280
281   LoopToAliasMap[L] = CurAST;
282   return Changed;
283 }
284
285 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
286 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
287 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
288 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
289 /// iteration.
290 ///
291 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
292   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
293   BasicBlock *BB = N->getBlock();
294
295   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
296   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
297
298   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first...
299   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
300   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
301     SinkRegion(Children[i]);
302
303   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
304   // subloop (which would already have been processed).
305   if (inSubLoop(BB)) return;
306
307   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
308     Instruction &I = *--II;
309
310     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
311     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
312     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
313     // operands of the instruction are loop invariant.
314     //
315     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
316       ++II;
317       sink(I);
318     }
319   }
320 }
321
322
323 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
324 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
325 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
326 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
327 ///
328 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
329   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
330   BasicBlock *BB = N->getBlock();
331
332   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
333   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
334
335   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
336   // subloop (which would already have been processed).
337   if (!inSubLoop(BB))
338     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
339       Instruction &I = *II++;
340
341       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
342       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
343       // is safe to hoist the instruction.
344       //
345       if (isLoopInvariantInst(I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
346           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
347         hoist(I);
348       }
349
350   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
351   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
352     HoistRegion(Children[i]);
353 }
354
355 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
356 /// instruction.
357 ///
358 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
359   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
360   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
361     if (LI->isVolatile())
362       return false;        // Don't hoist volatile loads!
363
364     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
365     unsigned Size = 0;
366     if (LI->getType()->isSized())
367       Size = AA->getTargetData().getTypeSize(LI->getType());
368     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size);
369   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
370     // Handle obvious cases efficiently.
371     if (Function *Callee = CI->getCalledFunction()) {
372       AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior =AA->getModRefBehavior(Callee, CI);
373       if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
374         return true;
375       else if (Behavior == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
376         // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
377         // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
378         bool FoundMod = false;
379         for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
380              I != E; ++I) {
381           AliasSet &AS = *I;
382           if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
383             FoundMod = true;
384             break;
385           }
386         }
387         if (!FoundMod) return true;
388       }
389     }
390
391     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
392     // the call.
393
394     return false;
395   }
396
397   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
398   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
399          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
400          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
401          isa<ShuffleVectorInst>(I);
402 }
403
404 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
405 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
406 /// exit blocks of the loop.
407 ///
408 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
409   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
410     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
411     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
412       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
413       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
414         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
415           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
416             return false;
417     } else if (CurLoop->contains(User->getParent())) {
418       return false;
419     }
420   }
421   return true;
422 }
423
424
425 /// isLoopInvariantInst - Return true if all operands of this instruction are
426 /// loop invariant.  We also filter out non-hoistable instructions here just for
427 /// efficiency.
428 ///
429 bool LICM::isLoopInvariantInst(Instruction &I) {
430   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
431   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
432     if (!CurLoop->isLoopInvariant(I.getOperand(i)))
433       return false;
434
435   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
436   return true;
437 }
438
439 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
440 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
441 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
442 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
443 ///
444 void LICM::sink(Instruction &I) {
445   DOUT << "LICM sinking instruction: " << I;
446
447   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
448   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
449
450   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
451   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
452   ++NumSunk;
453   Changed = true;
454
455   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
456   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
457   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
458   if (ExitBlocks.size() == 1) {
459     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
460       // Instruction is not used, just delete it.
461       CurAST->deleteValue(&I);
462       if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
463         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
464       I.eraseFromParent();
465     } else {
466       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
467       // nodes in it.
468       I.removeFromParent();
469
470       BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlocks[0]->begin();
471       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
472       ExitBlocks[0]->getInstList().insert(InsertPt, &I);
473     }
474   } else if (ExitBlocks.size() == 0) {
475     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
476     CurAST->deleteValue(&I);
477     if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
478       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
479     I.eraseFromParent();
480   } else {
481     // Otherwise, if we have multiple exits, use the PromoteMem2Reg function to
482     // do all of the hard work of inserting PHI nodes as necessary.  We convert
483     // the value into a stack object to get it to do this.
484
485     // Firstly, we create a stack object to hold the value...
486     AllocaInst *AI = 0;
487
488     if (I.getType() != Type::VoidTy) {
489       AI = new AllocaInst(I.getType(), 0, I.getName(),
490                           I.getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin());
491       CurAST->add(AI);
492     }
493
494     // Secondly, insert load instructions for each use of the instruction
495     // outside of the loop.
496     while (!I.use_empty()) {
497       Instruction *U = cast<Instruction>(I.use_back());
498
499       // If the user is a PHI Node, we actually have to insert load instructions
500       // in all predecessor blocks, not in the PHI block itself!
501       if (PHINode *UPN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
502         // Only insert into each predecessor once, so that we don't have
503         // different incoming values from the same block!
504         std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedBlocks;
505         for (unsigned i = 0, e = UPN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
506           if (UPN->getIncomingValue(i) == &I) {
507             BasicBlock *Pred = UPN->getIncomingBlock(i);
508             Value *&PredVal = InsertedBlocks[Pred];
509             if (!PredVal) {
510               // Insert a new load instruction right before the terminator in
511               // the predecessor block.
512               PredVal = new LoadInst(AI, "", Pred->getTerminator());
513               CurAST->add(cast<LoadInst>(PredVal));
514             }
515
516             UPN->setIncomingValue(i, PredVal);
517           }
518
519       } else {
520         LoadInst *L = new LoadInst(AI, "", U);
521         U->replaceUsesOfWith(&I, L);
522         CurAST->add(L);
523       }
524     }
525
526     // Thirdly, insert a copy of the instruction in each exit block of the loop
527     // that is dominated by the instruction, storing the result into the memory
528     // location.  Be careful not to insert the instruction into any particular
529     // basic block more than once.
530     std::set<BasicBlock*> InsertedBlocks;
531     BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
532
533     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
534       BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
535
536       if (isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB)) {
537         // If we haven't already processed this exit block, do so now.
538         if (InsertedBlocks.insert(ExitBlock).second) {
539           // Insert the code after the last PHI node...
540           BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->begin();
541           while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
542
543           // If this is the first exit block processed, just move the original
544           // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
545           // the copy.
546           Instruction *New;
547           if (InsertedBlocks.size() == 1) {
548             I.removeFromParent();
549             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, &I);
550             New = &I;
551           } else {
552             New = I.clone();
553             CurAST->copyValue(&I, New);
554             if (!I.getName().empty())
555               New->setName(I.getName()+".le");
556             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
557           }
558
559           // Now that we have inserted the instruction, store it into the alloca
560           if (AI) new StoreInst(New, AI, InsertPt);
561         }
562       }
563     }
564
565     // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
566     if (InsertedBlocks.empty()) {
567       CurAST->deleteValue(&I);
568       I.eraseFromParent();
569     }
570
571     // Finally, promote the fine value to SSA form.
572     if (AI) {
573       std::vector<AllocaInst*> Allocas;
574       Allocas.push_back(AI);
575       PromoteMemToReg(Allocas, *DT, *DF, CurAST);
576     }
577   }
578 }
579
580 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
581 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
582 ///
583 void LICM::hoist(Instruction &I) {
584   DOUT << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": " << I;
585
586   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
587   // instruction.
588   I.removeFromParent();
589
590   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
591   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &I);
592
593   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
594   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
595   ++NumHoisted;
596   Changed = true;
597 }
598
599 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
600 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
601 /// guaranteed to execute.
602 ///
603 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
604   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
605   if (!Inst.isTrapping()) return true;
606
607   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
608   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
609   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
610
611   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
612   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
613   // is a common case, and can save some work, check it now.
614   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
615     return true;
616
617   // It's always safe to load from a global or alloca.
618   if (isa<LoadInst>(Inst))
619     if (isa<AllocationInst>(Inst.getOperand(0)) ||
620         isa<GlobalVariable>(Inst.getOperand(0)))
621       return true;
622
623   // Get the exit blocks for the current loop.
624   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
625   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
626
627   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
628   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
629   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
630     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
631       return false;
632
633   return true;
634 }
635
636
637 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
638 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
639 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
640 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
641 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
642 /// PromoteMem2Reg functionality.
643 ///
644 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
645   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
646   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
647   // pointer.
648   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
649   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
650
651   FindPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
652   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote.
653
654   Changed = true;
655   NumPromoted += PromotedValues.size();
656
657   std::vector<Value*> PointerValueNumbers;
658
659   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
660   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
661   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
662     Value *Ptr = PromotedValues[i].second;
663
664     // If we are promoting a pointer value, update alias information for the
665     // inserted load.
666     Value *LoadValue = 0;
667     if (isa<PointerType>(cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType())) {
668       // Locate a load or store through the pointer, and assign the same value
669       // to LI as we are loading or storing.  Since we know that the value is
670       // stored in this loop, this will always succeed.
671       for (Value::use_iterator UI = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
672            UI != E; ++UI)
673         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
674           LoadValue = LI;
675           break;
676         } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
677           if (SI->getOperand(1) == Ptr) {
678             LoadValue = SI->getOperand(0);
679             break;
680           }
681         }
682       assert(LoadValue && "No store through the pointer found!");
683       PointerValueNumbers.push_back(LoadValue);  // Remember this for later.
684     }
685
686     // Load from the memory we are promoting.
687     LoadInst *LI = new LoadInst(Ptr, Ptr->getName()+".promoted", LoopPredInst);
688
689     if (LoadValue) CurAST->copyValue(LoadValue, LI);
690
691     // Store into the temporary alloca.
692     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
693   }
694
695   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
696   // uses of the allocas in question.
697   //
698   const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
699   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
700          E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
701     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
702     for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
703          II != E; ++II) {
704       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
705         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
706           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
707         if (I != ValueToAllocaMap.end())
708           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
709       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
710         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
711           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
712         if (I != ValueToAllocaMap.end())
713           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
714       }
715     }
716   }
717
718   // Now that the body of the loop uses the allocas instead of the original
719   // memory locations, insert code to copy the alloca value back into the
720   // original memory location on all exits from the loop.  Note that we only
721   // want to insert one copy of the code in each exit block, though the loop may
722   // exit to the same block more than once.
723   //
724   std::set<BasicBlock*> ProcessedBlocks;
725
726   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
727   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
728   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
729     if (ProcessedBlocks.insert(ExitBlocks[i]).second) {
730       // Copy all of the allocas into their memory locations.
731       BasicBlock::iterator BI = ExitBlocks[i]->begin();
732       while (isa<PHINode>(*BI))
733         ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block.
734       Instruction *InsertPos = BI;
735       unsigned PVN = 0;
736       for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
737         // Load from the alloca.
738         LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
739
740         // If this is a pointer type, update alias info appropriately.
741         if (isa<PointerType>(LI->getType()))
742           CurAST->copyValue(PointerValueNumbers[PVN++], LI);
743
744         // Store into the memory we promoted.
745         new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
746       }
747     }
748
749   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
750   // all of the new allocas we just created into real SSA registers.
751   //
752   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
753   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
754   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
755     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
756   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, CurAST);
757 }
758
759 /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
760 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
761 /// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
762 /// and keep track of the mapping from value to alloca.
763 ///
764 void LICM::FindPromotableValuesInLoop(
765                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
766                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
767   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
768
769   // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
770   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
771        I != E; ++I) {
772     AliasSet &AS = *I;
773     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
774     // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
775     // volatile loads or stores.
776     if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
777         !AS.isVolatile() && CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
778       assert(AS.begin() != AS.end() &&
779              "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
780       Value *V = AS.begin()->first;
781
782       // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
783       // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
784       // different sizes.
785       bool PointerOk = true;
786       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
787         if (V->getType() != I->first->getType()) {
788           PointerOk = false;
789           break;
790         }
791
792       if (PointerOk) {
793         const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
794         AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
795         PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
796
797         // Update the AST and alias analysis.
798         CurAST->copyValue(V, AI);
799
800         for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
801           ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
802
803         DOUT << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n";
804       }
805     }
806   }
807 }
808
809 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
810 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
811   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
812   if (!AST)
813     return;
814
815   AST->copyValue(From, To);
816 }
817
818 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
819 /// set.
820 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
821   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
822   if (!AST)
823     return;
824
825   AST->deleteValue(V);
826 }