now that it doesn't use the PromoteMemToReg function, LICM doesn't
[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/Constants.h"
36 #include "llvm/DerivedTypes.h"
37 #include "llvm/IntrinsicInst.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/SSAUpdater.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.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 LICM : public LoopPass {
67     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
68     LICM() : LoopPass(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.addRequired<DominatorTree>();
78       AU.addRequired<LoopInfo>();
79       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
80       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
81       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
82       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
83       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
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
102     // State that is updated as we process loops
103     bool Changed;            // Set to true when we change anything.
104     BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
105     Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
106     AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
107     std::map<Loop *, AliasSetTracker *> LoopToAliasMap;
108
109     /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
110     void cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L);
111
112     /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
113     /// set.
114     void deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L);
115
116     /// SinkRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
117     /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in
118     /// reverse depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
119     /// visit uses before definitions, allowing us to sink a loop body in one
120     /// pass without iteration.
121     ///
122     void SinkRegion(DomTreeNode *N);
123
124     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
125     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
126     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to
127     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
128     /// pass without iteration.
129     ///
130     void HoistRegion(DomTreeNode *N);
131
132     /// inSubLoop - Little predicate that returns true if the specified basic
133     /// block is in a subloop of the current one, not the current one itself.
134     ///
135     bool inSubLoop(BasicBlock *BB) {
136       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
137       for (Loop::iterator I = CurLoop->begin(), E = CurLoop->end(); I != E; ++I)
138         if ((*I)->contains(BB))
139           return true;  // A subloop actually contains this block!
140       return false;
141     }
142
143     /// isExitBlockDominatedByBlockInLoop - This method checks to see if the
144     /// specified exit block of the loop is dominated by the specified block
145     /// that is in the body of the loop.  We use these constraints to
146     /// dramatically limit the amount of the dominator tree that needs to be
147     /// searched.
148     bool isExitBlockDominatedByBlockInLoop(BasicBlock *ExitBlock,
149                                            BasicBlock *BlockInLoop) const {
150       // If the block in the loop is the loop header, it must be dominated!
151       BasicBlock *LoopHeader = CurLoop->getHeader();
152       if (BlockInLoop == LoopHeader)
153         return true;
154
155       DomTreeNode *BlockInLoopNode = DT->getNode(BlockInLoop);
156       DomTreeNode *IDom            = DT->getNode(ExitBlock);
157
158       // Because the exit block is not in the loop, we know we have to get _at
159       // least_ its immediate dominator.
160       IDom = IDom->getIDom();
161       
162       while (IDom && IDom != BlockInLoopNode) {
163         // If we have got to the header of the loop, then the instructions block
164         // did not dominate the exit node, so we can't hoist it.
165         if (IDom->getBlock() == LoopHeader)
166           return false;
167
168         // Get next Immediate Dominator.
169         IDom = IDom->getIDom();
170       };
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     void PromoteAliasSet(AliasSet &AS);
205   };
206 }
207
208 char LICM::ID = 0;
209 INITIALIZE_PASS(LICM, "licm", "Loop Invariant Code Motion", false, false);
210
211 Pass *llvm::createLICMPass() { return new LICM(); }
212
213 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner
214 /// loop is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple 
215 /// times on one loop.
216 ///
217 bool LICM::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
218   Changed = false;
219
220   // Get our Loop and Alias Analysis information...
221   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
222   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
223   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
224
225   CurAST = new AliasSetTracker(*AA);
226   // Collect Alias info from subloops
227   for (Loop::iterator LoopItr = L->begin(), LoopItrE = L->end();
228        LoopItr != LoopItrE; ++LoopItr) {
229     Loop *InnerL = *LoopItr;
230     AliasSetTracker *InnerAST = LoopToAliasMap[InnerL];
231     assert (InnerAST && "Where is my AST?");
232
233     // What if InnerLoop was modified by other passes ?
234     CurAST->add(*InnerAST);
235   }
236   
237   CurLoop = L;
238
239   // Get the preheader block to move instructions into...
240   Preheader = L->getLoopPreheader();
241
242   // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
243   // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
244   // subloops.
245   //
246   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
247        I != E; ++I) {
248     BasicBlock *BB = *I;
249     if (LI->getLoopFor(BB) == L)        // Ignore blocks in subloops...
250       CurAST->add(*BB);                 // Incorporate the specified basic block
251   }
252
253   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
254   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
255   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
256   // the subloops).
257   //
258   // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator tree so
259   // that we are guaranteed to see definitions before we see uses.  This allows
260   // us to sink instructions in one pass, without iteration.  After sinking
261   // instructions, we perform another pass to hoist them out of the loop.
262   //
263   if (L->hasDedicatedExits())
264     SinkRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
265   if (Preheader)
266     HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
267
268   // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
269   // memory references to scalars that we can.
270   if (!DisablePromotion && Preheader && L->hasDedicatedExits()) {
271     // Loop over all of the alias sets in the tracker object.
272     for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
273          I != E; ++I)
274       PromoteAliasSet(*I);
275   }
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 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
323 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
324 /// first order w.r.t the DominatorTree.  This allows us to visit definitions
325 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
326 ///
327 void LICM::HoistRegion(DomTreeNode *N) {
328   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
329   BasicBlock *BB = N->getBlock();
330
331   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
332   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
333
334   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
335   // subloop (which would already have been processed).
336   if (!inSubLoop(BB))
337     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ) {
338       Instruction &I = *II++;
339
340       // Try hoisting the instruction out to the preheader.  We can only do this
341       // if all of the operands of the instruction are loop invariant and if it
342       // is safe to hoist the instruction.
343       //
344       if (isLoopInvariantInst(I) && canSinkOrHoistInst(I) &&
345           isSafeToExecuteUnconditionally(I))
346         hoist(I);
347       }
348
349   const std::vector<DomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
350   for (unsigned i = 0, e = Children.size(); i != e; ++i)
351     HoistRegion(Children[i]);
352 }
353
354 /// canSinkOrHoistInst - Return true if the hoister and sinker can handle this
355 /// instruction.
356 ///
357 bool LICM::canSinkOrHoistInst(Instruction &I) {
358   // Loads have extra constraints we have to verify before we can hoist them.
359   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&I)) {
360     if (LI->isVolatile())
361       return false;        // Don't hoist volatile loads!
362
363     // Loads from constant memory are always safe to move, even if they end up
364     // in the same alias set as something that ends up being modified.
365     if (AA->pointsToConstantMemory(LI->getOperand(0)))
366       return true;
367     
368     // Don't hoist loads which have may-aliased stores in loop.
369     unsigned Size = 0;
370     if (LI->getType()->isSized())
371       Size = AA->getTypeStoreSize(LI->getType());
372     return !pointerInvalidatedByLoop(LI->getOperand(0), Size);
373   } else if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I)) {
374     // Handle obvious cases efficiently.
375     AliasAnalysis::ModRefBehavior Behavior = AA->getModRefBehavior(CI);
376     if (Behavior == AliasAnalysis::DoesNotAccessMemory)
377       return true;
378     else if (Behavior == AliasAnalysis::OnlyReadsMemory) {
379       // If this call only reads from memory and there are no writes to memory
380       // in the loop, we can hoist or sink the call as appropriate.
381       bool FoundMod = false;
382       for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
383            I != E; ++I) {
384         AliasSet &AS = *I;
385         if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod()) {
386           FoundMod = true;
387           break;
388         }
389       }
390       if (!FoundMod) return true;
391     }
392
393     // FIXME: This should use mod/ref information to see if we can hoist or sink
394     // the call.
395
396     return false;
397   }
398
399   // Otherwise these instructions are hoistable/sinkable
400   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<CastInst>(I) ||
401          isa<SelectInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
402          isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
403          isa<ShuffleVectorInst>(I);
404 }
405
406 /// isNotUsedInLoop - Return true if the only users of this instruction are
407 /// outside of the loop.  If this is true, we can sink the instruction to the
408 /// exit blocks of the loop.
409 ///
410 bool LICM::isNotUsedInLoop(Instruction &I) {
411   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), E = I.use_end(); UI != E; ++UI) {
412     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
413     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
414       // PHI node uses occur in predecessor blocks!
415       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
416         if (PN->getIncomingValue(i) == &I)
417           if (CurLoop->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
418             return false;
419     } else if (CurLoop->contains(User)) {
420       return false;
421     }
422   }
423   return true;
424 }
425
426
427 /// isLoopInvariantInst - Return true if all operands of this instruction are
428 /// loop invariant.  We also filter out non-hoistable instructions here just for
429 /// efficiency.
430 ///
431 bool LICM::isLoopInvariantInst(Instruction &I) {
432   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
433   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
434     if (!CurLoop->isLoopInvariant(I.getOperand(i)))
435       return false;
436
437   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
438   return true;
439 }
440
441 /// sink - When an instruction is found to only be used outside of the loop,
442 /// this function moves it to the exit blocks and patches up SSA form as needed.
443 /// This method is guaranteed to remove the original instruction from its
444 /// position, and may either delete it or move it to outside of the loop.
445 ///
446 void LICM::sink(Instruction &I) {
447   DEBUG(dbgs() << "LICM sinking instruction: " << I << "\n");
448
449   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
450   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
451
452   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
453   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
454   ++NumSunk;
455   Changed = true;
456
457   // The case where there is only a single exit node of this loop is common
458   // enough that we handle it as a special (more efficient) case.  It is more
459   // efficient to handle because there are no PHI nodes that need to be placed.
460   if (ExitBlocks.size() == 1) {
461     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[0], I.getParent())) {
462       // Instruction is not used, just delete it.
463       CurAST->deleteValue(&I);
464       // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
465       // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
466       // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
467       if (!I.use_empty())
468         I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
469       I.eraseFromParent();
470     } else {
471       // Move the instruction to the start of the exit block, after any PHI
472       // nodes in it.
473       I.removeFromParent();
474       BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlocks[0]->getFirstNonPHI();
475       ExitBlocks[0]->getInstList().insert(InsertPt, &I);
476     }
477     return;
478   }
479   
480   if (ExitBlocks.empty()) {
481     // The instruction is actually dead if there ARE NO exit blocks.
482     CurAST->deleteValue(&I);
483     // If I has users in unreachable blocks, eliminate.
484     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
485     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
486     if (!I.use_empty())
487       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
488     I.eraseFromParent();
489     return;
490   }
491   
492   // Otherwise, if we have multiple exits, use the SSAUpdater to do all of the
493   // hard work of inserting PHI nodes as necessary.
494   SmallVector<PHINode*, 8> NewPHIs;
495   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
496   
497   if (!I.use_empty())
498     SSA.Initialize(&I);
499   
500   // Insert a copy of the instruction in each exit block of the loop that is
501   // dominated by the instruction.  Each exit block is known to only be in the
502   // ExitBlocks list once.
503   BasicBlock *InstOrigBB = I.getParent();
504   unsigned NumInserted = 0;
505   
506   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
507     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
508     
509     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlock, InstOrigBB))
510       continue;
511     
512     // Insert the code after the last PHI node.
513     BasicBlock::iterator InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
514     
515     // If this is the first exit block processed, just move the original
516     // instruction, otherwise clone the original instruction and insert
517     // the copy.
518     Instruction *New;
519     if (NumInserted++ == 0) {
520       I.moveBefore(InsertPt);
521       New = &I;
522     } else {
523       New = I.clone();
524       CurAST->copyValue(&I, New);
525       if (!I.getName().empty())
526         New->setName(I.getName()+".le");
527       ExitBlock->getInstList().insert(InsertPt, New);
528     }
529     
530     // Now that we have inserted the instruction, inform SSAUpdater.
531     if (!I.use_empty())
532       SSA.AddAvailableValue(ExitBlock, New);
533   }
534   
535   // If the instruction doesn't dominate any exit blocks, it must be dead.
536   if (NumInserted == 0) {
537     CurAST->deleteValue(&I);
538     if (!I.use_empty())
539       I.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I.getType()));
540     I.eraseFromParent();
541     return;
542   }
543   
544   // Next, rewrite uses of the instruction, inserting PHI nodes as needed.
545   for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE; ) {
546     // Grab the use before incrementing the iterator.
547     Use &U = UI.getUse();
548     // Increment the iterator before removing the use from the list.
549     ++UI;
550     SSA.RewriteUseAfterInsertions(U);
551   }
552   
553   // Update CurAST for NewPHIs if I had pointer type.
554   if (I.getType()->isPointerTy())
555     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
556       CurAST->copyValue(NewPHIs[i], &I);
557 }
558
559 /// hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
560 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
561 ///
562 void LICM::hoist(Instruction &I) {
563   DEBUG(dbgs() << "LICM hoisting to " << Preheader->getName() << ": "
564         << I << "\n");
565
566   // Remove the instruction from its current basic block... but don't delete the
567   // instruction.
568   I.removeFromParent();
569
570   // Insert the new node in Preheader, before the terminator.
571   Preheader->getInstList().insert(Preheader->getTerminator(), &I);
572
573   if (isa<LoadInst>(I)) ++NumMovedLoads;
574   else if (isa<CallInst>(I)) ++NumMovedCalls;
575   ++NumHoisted;
576   Changed = true;
577 }
578
579 /// isSafeToExecuteUnconditionally - Only sink or hoist an instruction if it is
580 /// not a trapping instruction or if it is a trapping instruction and is
581 /// guaranteed to execute.
582 ///
583 bool LICM::isSafeToExecuteUnconditionally(Instruction &Inst) {
584   // If it is not a trapping instruction, it is always safe to hoist.
585   if (Inst.isSafeToSpeculativelyExecute())
586     return true;
587
588   // Otherwise we have to check to make sure that the instruction dominates all
589   // of the exit blocks.  If it doesn't, then there is a path out of the loop
590   // which does not execute this instruction, so we can't hoist it.
591
592   // If the instruction is in the header block for the loop (which is very
593   // common), it is always guaranteed to dominate the exit blocks.  Since this
594   // is a common case, and can save some work, check it now.
595   if (Inst.getParent() == CurLoop->getHeader())
596     return true;
597
598   // Get the exit blocks for the current loop.
599   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
600   CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
601
602   // For each exit block, get the DT node and walk up the DT until the
603   // instruction's basic block is found or we exit the loop.
604   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
605     if (!isExitBlockDominatedByBlockInLoop(ExitBlocks[i], Inst.getParent()))
606       return false;
607
608   return true;
609 }
610
611 /// PromoteAliasSet - Try to promote memory values to scalars by sinking
612 /// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
613 /// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
614 /// which are loop invariant.
615 ///
616 void LICM::PromoteAliasSet(AliasSet &AS) {
617   // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
618   // set, if the pointer is loop invariant, and if we are not eliminating any
619   // volatile loads or stores.
620   if (AS.isForwardingAliasSet() || !AS.isMod() || !AS.isMustAlias() ||
621       AS.isVolatile() || !CurLoop->isLoopInvariant(AS.begin()->getValue()))
622     return;
623   
624   assert(!AS.empty() &&
625          "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
626   Value *SomePtr = AS.begin()->getValue();
627
628   // It isn't safe to promote a load/store from the loop if the load/store is
629   // conditional.  For example, turning:
630   //
631   //    for () { if (c) *P += 1; }
632   //
633   // into:
634   //
635   //    tmp = *P;  for () { if (c) tmp +=1; } *P = tmp;
636   //
637   // is not safe, because *P may only be valid to access if 'c' is true.
638   // 
639   // It is safe to promote P if all uses are direct load/stores and if at
640   // least one is guaranteed to be executed.
641   bool GuaranteedToExecute = false;
642   
643   SmallVector<Instruction*, 64> LoopUses;
644   SmallPtrSet<Value*, 4> PointerMustAliases;
645
646   // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
647   // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
648   // different sizes.
649   for (AliasSet::iterator ASI = AS.begin(), E = AS.end(); ASI != E; ++ASI) {
650     Value *ASIV = ASI->getValue();
651     PointerMustAliases.insert(ASIV);
652     
653     // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
654     // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
655     // different sizes.
656     if (SomePtr->getType() != ASIV->getType())
657       return;
658     
659     for (Value::use_iterator UI = ASIV->use_begin(), UE = ASIV->use_end();
660          UI != UE; ++UI) {
661       // Ignore instructions that are outside the loop.
662       Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(*UI);
663       if (!Use || !CurLoop->contains(Use))
664         continue;
665       
666       // If there is an non-load/store instruction in the loop, we can't promote
667       // it.
668       if (isa<LoadInst>(Use))
669         assert(!cast<LoadInst>(Use)->isVolatile() && "AST broken");
670       else if (isa<StoreInst>(Use))
671         assert(!cast<StoreInst>(Use)->isVolatile() && 
672                Use->getOperand(0) != ASIV && "AST broken");
673       else
674         return; // Not a load or store.
675       
676       if (!GuaranteedToExecute)
677         GuaranteedToExecute = isSafeToExecuteUnconditionally(*Use);
678       
679       LoopUses.push_back(Use);
680     }
681   }
682   
683   // If there isn't a guaranteed-to-execute instruction, we can't promote.
684   if (!GuaranteedToExecute)
685     return;
686   
687   // Otherwise, this is safe to promote, lets do it!
688   DEBUG(dbgs() << "LICM: Promoting value stored to in loop: " <<*SomePtr<<'\n');  
689   Changed = true;
690   ++NumPromoted;
691
692   // We use the SSAUpdater interface to insert phi nodes as required.
693   SmallVector<PHINode*, 16> NewPHIs;
694   SSAUpdater SSA(&NewPHIs);
695   
696   // It wants to know some value of the same type as what we'll be inserting.
697   Value *SomeValue;
698   if (isa<LoadInst>(LoopUses[0]))
699     SomeValue = LoopUses[0];
700   else
701     SomeValue = cast<StoreInst>(LoopUses[0])->getOperand(0);
702   SSA.Initialize(SomeValue);
703
704   // First step: bucket up uses of the pointers by the block they occur in.
705   // This is important because we have to handle multiple defs/uses in a block
706   // ourselves: SSAUpdater is purely for cross-block references.
707   // FIXME: Want a TinyVector<Instruction*> since there is usually 0/1 element.
708   DenseMap<BasicBlock*, std::vector<Instruction*> > UsesByBlock;
709   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
710     Instruction *User = LoopUses[i];
711     UsesByBlock[User->getParent()].push_back(User);
712   }
713   
714   // Okay, now we can iterate over all the blocks in the loop with uses,
715   // processing them.  Keep track of which loads are loading a live-in value.
716   SmallVector<LoadInst*, 32> LiveInLoads;
717   
718   for (unsigned LoopUse = 0, e = LoopUses.size(); LoopUse != e; ++LoopUse) {
719     Instruction *User = LoopUses[LoopUse];
720     std::vector<Instruction*> &BlockUses = UsesByBlock[User->getParent()];
721     
722     // If this block has already been processed, ignore this repeat use.
723     if (BlockUses.empty()) continue;
724     
725     // Okay, this is the first use in the block.  If this block just has a
726     // single user in it, we can rewrite it trivially.
727     if (BlockUses.size() == 1) {
728       // If it is a store, it is a trivial def of the value in the block.
729       if (isa<StoreInst>(User)) {
730         SSA.AddAvailableValue(User->getParent(),
731                               cast<StoreInst>(User)->getOperand(0));
732       } else {
733         // Otherwise it is a load, queue it to rewrite as a live-in load.
734         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(User));
735       }
736       BlockUses.clear();
737       continue;
738     }
739     
740     // Otherwise, check to see if this block is all loads.  If so, we can queue
741     // them all as live in loads.
742     bool HasStore = false;
743     for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i) {
744       if (isa<StoreInst>(BlockUses[i])) {
745         HasStore = true;
746         break;
747       }
748     }
749     
750     if (!HasStore) {
751       for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i)
752         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(BlockUses[i]));
753       BlockUses.clear();
754       continue;
755     }
756
757     // Otherwise, we have mixed loads and stores (or just a bunch of stores).
758     // Since SSAUpdater is purely for cross-block values, we need to determine
759     // the order of these instructions in the block.  If the first use in the
760     // block is a load, then it uses the live in value.  The last store defines
761     // the live out value.  We handle this by doing a linear scan of the block.
762     BasicBlock *BB = User->getParent();
763     Value *StoredValue = 0;
764     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
765       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
766         // If this is a load to an unrelated pointer, ignore it.
767         if (!PointerMustAliases.count(L->getOperand(0))) continue;
768
769         // If we haven't seen a store yet, this is a live in use, otherwise
770         // use the stored value.
771         if (StoredValue)
772           L->replaceAllUsesWith(StoredValue);
773         else
774           LiveInLoads.push_back(L);
775         continue;
776       }
777       
778       if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
779         // If this is a load to an unrelated pointer, ignore it.
780         if (!PointerMustAliases.count(S->getOperand(1))) continue;
781
782         // Remember that this is the active value in the block.
783         StoredValue = S->getOperand(0);
784       }
785     }
786     
787     // The last stored value that happened is the live-out for the block.
788     assert(StoredValue && "Already checked that there is a store in block");
789     SSA.AddAvailableValue(BB, StoredValue);
790     BlockUses.clear();
791   }
792   
793   // Now that all the intra-loop values are classified, set up the preheader.
794   // It gets a load of the pointer we're promoting, and it is the live-out value
795   // from the preheader.
796   LoadInst *PreheaderLoad = new LoadInst(SomePtr,SomePtr->getName()+".promoted",
797                                          Preheader->getTerminator());
798   SSA.AddAvailableValue(Preheader, PreheaderLoad);
799
800   // Now that the preheader is good to go, set up the exit blocks.  Each exit
801   // block gets a store of the live-out values that feed them.  Since we've
802   // already told the SSA updater about the defs in the loop and the preheader
803   // definition, it is all set and we can start using it.
804   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
805   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
806   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
807     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
808     Value *LiveInValue = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ExitBlock);
809     Instruction *InsertPos = ExitBlock->getFirstNonPHI();
810     new StoreInst(LiveInValue, SomePtr, InsertPos);
811   }
812
813   // Okay, now we rewrite all loads that use live-in values in the loop,
814   // inserting PHI nodes as necessary.
815   for (unsigned i = 0, e = LiveInLoads.size(); i != e; ++i) {
816     LoadInst *ALoad = LiveInLoads[i];
817     ALoad->replaceAllUsesWith(SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ALoad->getParent()));
818   }
819   
820   // Now that everything is rewritten, delete the old instructions from the body
821   // of the loop.  They should all be dead now.
822   for (unsigned i = 0, e = LoopUses.size(); i != e; ++i) {
823     Instruction *User = LoopUses[i];
824     CurAST->deleteValue(User);
825     User->eraseFromParent();
826   }
827   
828   // If the preheader load is itself a pointer, we need to tell alias analysis
829   // about the new pointer we created in the preheader block and about any PHI
830   // nodes that just got inserted.
831   if (PreheaderLoad->getType()->isPointerTy()) {
832     // Copy any value stored to or loaded from a must-alias of the pointer.
833     CurAST->copyValue(SomeValue, PreheaderLoad);
834
835     for (unsigned i = 0, e = NewPHIs.size(); i != e; ++i)
836       CurAST->copyValue(SomeValue, NewPHIs[i]);
837   }
838   
839   // fwew, we're done!
840 }
841
842
843 /// cloneBasicBlockAnalysis - Simple Analysis hook. Clone alias set info.
844 void LICM::cloneBasicBlockAnalysis(BasicBlock *From, BasicBlock *To, Loop *L) {
845   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
846   if (!AST)
847     return;
848
849   AST->copyValue(From, To);
850 }
851
852 /// deleteAnalysisValue - Simple Analysis hook. Delete value V from alias
853 /// set.
854 void LICM::deleteAnalysisValue(Value *V, Loop *L) {
855   AliasSetTracker *AST = LoopToAliasMap[L];
856   if (!AST)
857     return;
858
859   AST->deleteValue(V);
860 }