Reorder methods alphabetically. No functionality change.
[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 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 static cl::opt<bool>
62 DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
63                  cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
64
65 namespace {
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       // Free the values stored in the map
88       for (std::map<Loop *, AliasSetTracker *>::iterator
89              I = LoopToAliasMap.begin(), E = LoopToAliasMap.end(); I != E; ++I)
90         delete I->second;
91
92       LoopToAliasMap.clear();
93       return false;
94     }
95
96   private:
97     // Various analyses that we use...
98     AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
99     LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
100     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
101     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
102
103     // State that is updated as we process loops
104     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
105     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
106     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
107     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
108     std::map<Loop *, AliasSetTracker *> LoopToAliasMap;
109
110     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
111     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
112
113     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
114     /// set.
115     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
116
117     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
118     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
119     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
120     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
121     /// pass without iteration.
122     ///
123     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
124
125     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
126     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
127     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
128     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
129     /// pass without iteration.
130     ///
131     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
132
133     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
134     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
135     ///
136     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
137       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
138       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
139         if ((*I)->contains(BB))
140           return true;  // A subloop actually contains this block!
141       return false;
142     }
143
144     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
145     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
146     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
147     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
148     /// searched.
149     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
150                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
151       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
152       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
153       if (BlockInLoop == LoopHeader)
154         return true;
155
156       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
157       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
158
159       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
160       // least_ its immediate dominator.
161       do {
162         // Get next Immediate Dominator.
163         IDom = IDom->getIDom();
164
165         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
166         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
167         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
168           return false;
169
170       } while (IDom != BlockInLoopNode);
171
172       return true;
173     }
174
175     /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
176     /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as
177     /// needed.
178     ///
179     void sink(Instruction &I);
180
181     /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
182     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
183     ///
184     void hoist(Instruction &I);
185
186     /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it
187     /// is not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
188     /// guaranteed to execute.
189     ///
190     bool isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &I);
191
192     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
193     /// store into the memory location pointed to by V.
194     ///
195     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V, unsigned Size) {
196       // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
197       return CurAST->getAliasSetForPointer(V, Size).isMod();
198     }
199
200     bool canSinkOrHoistInst(Instruction &I);
201     bool isLoopInvariantInst(Instruction &I);
202     bool isNotUsedInLoop(Instruction &I);
203
204     /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
205     /// to scalars as we can.
206     ///
207     void PromoteValuesInLoop();
208
209     /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
210     /// definite pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
211     /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
212     /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
213     /// alloca...
214     ///
215     void FindPromotableValuesInLoop(
216                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
217                                     std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
218   };
219 }
220
221 char LICM::ID = 0;
222 static RegisterPass<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
223
224 LoopPass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
225
226 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
227 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
228 /// times on one loop.
229 ///
230 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
231   Changed = false;
232
233   // Get our Loop and Alias Analysis information...
234   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
235   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
236   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
237   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
238
239   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
240   // Collect Alias info from subloops
241   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
242        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
243     Loop *InnerL = *LoopItr;
244     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasMap[InnerL];
245     assert (InnerAST && "Where is my AST?");
246
247     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
248     CurAST->add(*InnerAST);
249   }
250   
251   CurLoop = L;
252
253   // Get the preheader block to move instructions into...
254   Preheader = L->getLoopPreheader();
255   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
256
257   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
258   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
259   // subloops.
260   //
261   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
262        I != E; ++I) {
263     BasicBlock *BB = *I;
264     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops...
265       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
266   }
267
268   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
269   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
270   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
271   // the subloops).
272   //
273   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
274   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
275   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
276   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
277   //
278   SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
279   HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
280
281   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
282   // memory references to scalars that we can...
283   if (!DisablePromotion)
284     PromoteValuesInLoop();
285
286   // Clear out loops state information for the next iteration
287   CurLoop = 0;
288   Preheader = 0;
289
290   LoopToAliasMap[L] = CurAST;
291   return Changed;
292 }
293
294 /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
295 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
296 /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit
297 /// uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one pass without
298 /// iteration.
299 ///
300 void LICM::SinkRegion(DomTreeNode *N) {
301   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
302   BasicBlock *BB = N->getBlock();
303
304   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
305   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
306
307   // We are processing blocks in reverse dfo, so process children first...
308   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
309   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
310     SinkRegion(Children[i]);
311
312   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
313   // subloop (which would already have been processed).
314   if (inSubLoop(BB)) return;
315
316   for (BasicBlock::iterator II = BB->end(); II != BB->begin(); ) {
317     Instruction &I = *--II;
318
319     // Check to see if we can sink this instruction to the exit blocks
320     // of the loop.  We can do this if the all users of the instruction are
321     // outside of the loop.  In this case, it doesn't even matter if the
322     // operands of the instruction are loop invariant.
323     //
324     if (isNotUsedInLoop(I) && canSinkOrHoistInst(I)) {
325       ++II;
326       sink(I);
327     }
328   }
329 }
330
331
332 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
333 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
334 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
335 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
336 ///
337 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
338   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
339   BasicBlock *BB = N->getBlock();
340
341   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
342   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
343
344   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
345   // subloop (which would already have been processed).
346   if (!inSubLoop(BB))
347     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
348       Instruction &I = *II++;
349
350       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
351       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
352       // is safe to hoist the instruction.
353       //
354       if (isLoopInvariantInst(I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
355           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
356         hoist(I);
357       }
358
359   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
360   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
361     HoistRegion(Children[i]);
362 }
363
364 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
365 /// instruction.
366 ///
367 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
368   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
369   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
370     if (LI->isVolatile())
371       return false;        // Don't hoist volatile loads!
372
373     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
374     unsigned Size = 0;
375     if (LI->getType()->isSized())
376       Size = AA->getTargetData().getTypeStoreSize(LI->getType());
377     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size);
378   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
379     // Handle obvious cases efficiently.
380     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
381     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
382       return true;
383     else if (Behavior == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
384       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
385       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
386       bool FoundMod = false;
387       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
388            I != E; ++I) {
389         AliasSet &AS = *I;
390         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
391           FoundMod = true;
392           break;
393         }
394       }
395       if (!FoundMod) return true;
396     }
397
398     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
399     // the call.
400
401     return false;
402   }
403
404   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
405   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
406          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
407          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
408          isa<ShuffleVectorInst>(I);
409 }
410
411 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
412 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
413 /// exit blocks of the loop.
414 ///
415 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
416   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
417     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
418     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
419       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
420       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
421         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
422           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
423             return false;
424     } else if (CurLoop->contains(User->getParent())) {
425       return false;
426     }
427   }
428   return true;
429 }
430
431
432 /// isLoopInvariantInst - Return true if all operands of this instruction are
433 /// loop invariant.  We also filter out non-hoistable instructions here just for
434 /// efficiency.
435 ///
436 bool LICM::isLoopInvariantInst(Instruction &I) {
437   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
438   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
439     if (!CurLoop->isLoopInvariant(I.getOperand(i)))
440       return false;
441
442   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
443   return true;
444 }
445
446 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
447 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
448 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
449 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
450 ///
451 void LICM::sink(Instruction &I) {
452   DOUT << "LICM sinking instruction: " << I;
453
454   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
455   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
456
457   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
458   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
459   ++NumSunk;
460   Changed = true;
461
462   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
463   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
464   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
465   if (ExitBlocks.size() == 1) {
466     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
467       // Instruction is not used, just delete it.
468       CurAST->deleteValue(&I);
469       if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
470         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
471       I.eraseFromParent();
472     } else {
473       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
474       // nodes in it.
475       I.removeFromParent();
476
477       BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI();
478       ExitBlocks[0]->getInstList().insert(InsertPt, &I);
479     }
480   } else if (ExitBlocks.empty()) {
481     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
482     CurAST->deleteValue(&I);
483     if (!I.use_empty())  // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
484       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
485     I.eraseFromParent();
486   } else {
487     // Otherwise, if we have multiple exits, use the PromoteMem2Reg function to
488     // do all of the hard work of inserting PHI nodes as necessary.  We convert
489     // the value into a stack object to get it to do this.
490
491     // Firstly, we create a stack object to hold the value...
492     AllocaInst *AI = 0;
493
494     if (I.getType() != Type::VoidTy) {
495       AI = new AllocaInst(I.getType(), 0, I.getName(),
496                           I.getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin());
497       CurAST->add(AI);
498     }
499
500     // Secondly, insert load instructions for each use of the instruction
501     // outside of the loop.
502     while (!I.use_empty()) {
503       Instruction *U = cast<Instruction>(I.use_back());
504
505       // If the user is a PHI Node, we actually have to insert load instructions
506       // in all predecessor blocks, not in the PHI block itself!
507       if (PHINode *UPN = dyn_cast<PHINode>(U)) {
508         // Only insert into each predecessor once, so that we don't have
509         // different incoming values from the same block!
510         std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedBlocks;
511         for (unsigned i = 0, e = UPN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
512           if (UPN->getIncomingValue(i) == &I) {
513             BasicBlock *Pred = UPN->getIncomingBlock(i);
514             Value *&PredVal = InsertedBlocks[Pred];
515             if (!PredVal) {
516               // Insert a new load instruction right before the terminator in
517               // the predecessor block.
518               PredVal = new LoadInst(AI, "", Pred->getTerminator());
519               CurAST->add(cast<LoadInst>(PredVal));
520             }
521
522             UPN->setIncomingValue(i, PredVal);
523           }
524
525       } else {
526         LoadInst *L = new LoadInst(AI, "", U);
527         U->replaceUsesOfWith(&I, L);
528         CurAST->add(L);
529       }
530     }
531
532     // Thirdly, insert a copy of the instruction in each exit block of the loop
533     // that is dominated by the instruction, storing the result into the memory
534     // location.  Be careful not to insert the instruction into any particular
535     // basic block more than once.
536     std::set<BasicBlock*> InsertedBlocks;
537     BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
538
539     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
540       BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
541
542       if (isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB)) {
543         // If we haven't already processed this exit block, do so now.
544         if (InsertedBlocks.insert(ExitBlock).second) {
545           // Insert the code after the last PHI node...
546           BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
547
548           // If this is the first exit block processed, just move the original
549           // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
550           // the copy.
551           Instruction *New;
552           if (InsertedBlocks.size() == 1) {
553             I.removeFromParent();
554             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, &I);
555             New = &I;
556           } else {
557             New = I.clone();
558             CurAST->copyValue(&I, New);
559             if (!I.getName().empty())
560               New->setName(I.getName()+".le");
561             ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
562           }
563
564           // Now that we have inserted the instruction, store it into the alloca
565           if (AI) new StoreInst(New, AI, InsertPt);
566         }
567       }
568     }
569
570     // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
571     if (InsertedBlocks.empty()) {
572       CurAST->deleteValue(&I);
573       I.eraseFromParent();
574     }
575
576     // Finally, promote the fine value to SSA form.
577     if (AI) {
578       std::vector<AllocaInst*> Allocas;
579       Allocas.push_back(AI);
580       PromoteMemToReg(Allocas, *DT, *DF, CurAST);
581     }
582   }
583 }
584
585 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
586 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
587 ///
588 void LICM::hoist(Instruction &I) {
589   DOUT << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": " << I;
590
591   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
592   // instruction.
593   I.removeFromParent();
594
595   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
596   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &I);
597
598   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
599   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
600   ++NumHoisted;
601   Changed = true;
602 }
603
604 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
605 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
606 /// guaranteed to execute.
607 ///
608 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
609   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
610   if (!Inst.isTrapping()) return true;
611
612   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
613   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
614   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
615
616   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
617   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
618   // is a common case, and can save some work, check it now.
619   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
620     return true;
621
622   // It's always safe to load from a global or alloca.
623   if (isa<LoadInst>(Inst))
624     if (isa<AllocationInst>(Inst.getOperand(0)) ||
625         isa<GlobalVariable>(Inst.getOperand(0)))
626       return true;
627
628   // Get the exit blocks for the current loop.
629   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
630   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
631
632   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
633   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
634   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
635     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
636       return false;
637
638   return true;
639 }
640
641
642 /// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
643 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
644 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
645 /// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
646 /// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
647 /// PromoteMem2Reg functionality.
648 ///
649 void LICM::PromoteValuesInLoop() {
650   // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
651   // value has an alloca instruction for it, and a canonical version of the
652   // pointer.
653   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
654   std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
655
656   FindPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
657   if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote.
658
659   Changed = true;
660   NumPromoted += PromotedValues.size();
661
662   std::vector<Value*> PointerValueNumbers;
663
664   // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
665   TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
666   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
667     Value *Ptr = PromotedValues[i].second;
668
669     // If we are promoting a pointer value, update alias information for the
670     // inserted load.
671     Value *LoadValue = 0;
672     if (isa<PointerType>(cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType())) {
673       // Locate a load or store through the pointer, and assign the same value
674       // to LI as we are loading or storing.  Since we know that the value is
675       // stored in this loop, this will always succeed.
676       for (Value::use_iterator UI = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
677            UI != E; ++UI)
678         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
679           LoadValue = LI;
680           break;
681         } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
682           if (SI->getOperand(1) == Ptr) {
683             LoadValue = SI->getOperand(0);
684             break;
685           }
686         }
687       assert(LoadValue && "No store through the pointer found!");
688       PointerValueNumbers.push_back(LoadValue);  // Remember this for later.
689     }
690
691     // Load from the memory we are promoting.
692     LoadInst *LI = new LoadInst(Ptr, Ptr->getName()+".promoted", LoopPredInst);
693
694     if (LoadValue) CurAST->copyValue(LoadValue, LI);
695
696     // Store into the temporary alloca.
697     new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
698   }
699
700   // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
701   // uses of the allocas in question.
702   //
703   for (Loop::block_iterator I = CurLoop->block_begin(),
704          E = CurLoop->block_end(); I != E; ++I) {
705     BasicBlock *BB = *I;
706     // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
707     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
708       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
709         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
710           I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
711         if (I != ValueToAllocaMap.end())
712           L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
713       } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
714         std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
715           I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
716         if (I != ValueToAllocaMap.end())
717           S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
718       }
719     }
720   }
721
722   // Now that the body of the loop uses the allocas instead of the original
723   // memory locations, insert code to copy the alloca value back into the
724   // original memory location on all exits from the loop.  Note that we only
725   // want to insert one copy of the code in each exit block, though the loop may
726   // exit to the same block more than once.
727   //
728   SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> ProcessedBlocks;
729
730   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
731   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
732   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
733     if (!ProcessedBlocks.insert(ExitBlocks[i]))
734       continue;
735   
736     // Copy all of the allocas into their memory locations.
737     BasicBlock::iterator BI = ExitBlocks[i]->getFirstNonPHI();
738     Instruction *InsertPos = BI;
739     unsigned PVN = 0;
740     for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
741       // Load from the alloca.
742       LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
743
744       // If this is a pointer type, update alias info appropriately.
745       if (isa<PointerType>(LI->getType()))
746         CurAST->copyValue(PointerValueNumbers[PVN++], LI);
747
748       // Store into the memory we promoted.
749       new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
750     }
751   }
752
753   // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
754   // all of the new allocas we just created into real SSA registers.
755   //
756   std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
757   PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
758   for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
759     PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
760   PromoteMemToReg(PromotedAllocas, *DT, *DF, CurAST);
761 }
762
763 /// FindPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definite
764 /// pointers, which are not loaded and stored through may aliases and are safe
765 /// for promotion.  If these are found, create an alloca for the value, add it 
766 /// to the PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to 
767 /// alloca. 
768 void LICM::FindPromotableValuesInLoop(
769                    std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
770                              std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
771   Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
772
773   SmallVector<BasicBlock*, 4> ExitingBlocks;
774   CurLoop->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
775
776   // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
777   for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
778        I != E; ++I) {
779     AliasSet &AS = *I;
780     // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
781     // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
782     // volatile loads or stores.
783     if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
784         AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->first))
785       continue;
786     
787     assert(!AS.empty() &&
788            "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
789     Value *V = AS.begin()->first;
790
791     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
792     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
793     // different sizes.
794     {
795       bool PointerOk = true;
796       for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
797         if (V->getType() != I->first->getType()) {
798           PointerOk = false;
799           break;
800         }
801       if (!PointerOk)
802         continue;
803     }
804
805     // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
806     // conditional.  For example, turning:
807     //
808     //    for () { if (c) *P += 1; }
809     //
810     // into:
811     //
812     //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
813     //
814     // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
815     // 
816     // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
817     // least one is guaranteed to be executed.
818     bool GuaranteedToExecute = false;
819     bool InvalidInst = false;
820     for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
821          UI != UE; ++UI) {
822       // Ignore instructions not in this loop.
823       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
824       if (!Use || !CurLoop->contains(Use->getParent()))
825         continue;
826
827       if (!isa<LoadInst>(Use) && !isa<StoreInst>(Use)) {
828         InvalidInst = true;
829         break;
830       }
831       
832       if (!GuaranteedToExecute)
833         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
834     }
835
836     // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
837     // it.  If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't
838     // promote.
839     if (InvalidInst || !GuaranteedToExecute)
840       continue;
841     
842     const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
843     AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
844     PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
845
846     // Update the AST and alias analysis.
847     CurAST->copyValue(V, AI);
848
849     for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
850       ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
851
852     DOUT << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n";
853   }
854 }
855
856 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
857 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
858   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
859   if (!AST)
860     return;
861
862   AST->copyValue(From, To);
863 }
864
865 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
866 /// set.
867 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
868   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
869   if (!AST)
870     return;
871
872   AST->deleteValue(V);
873 }