lib/Transforms/Scalar/SCCP.cpp

   1 //===- SCCP.cpp - Sparse Conditional Constant Propagation -----------------===//
   2 //
   3 // This file implements sparse conditional constant propagation and merging:
   4 //
   5 // Specifically, this:
   6 //   * Assumes values are constant unless proven otherwise
   7 //   * Assumes BasicBlocks are dead unless proven otherwise
   8 //   * Proves values to be constant, and replaces them with constants
   9 //   * Proves conditional branches to be unconditional
  10 //
  11 // Notice that:
  12 //   * This pass has a habit of making definitions be dead.  It is a good idea
  13 //     to to run a DCE pass sometime after running this pass.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  18 #include "llvm/ConstantHandling.h"
  19 #include "llvm/Function.h"
  20 #include "llvm/Instructions.h"
  21 #include "llvm/Pass.h"
  22 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
  23 #include "Support/Debug.h"
  24 #include "Support/Statistic.h"
  25 #include "Support/STLExtras.h"
  26 #include <algorithm>
  27 #include <set>
  28
  29 // InstVal class - This class represents the different lattice values that an
  30 // instruction may occupy.  It is a simple class with value semantics.
  31 //
  32 namespace {
  33   Statistic<> NumInstRemoved("sccp", "Number of instructions removed");
  34
  35 class InstVal {
  36   enum {
  37     undefined,           // This instruction has no known value
  38     constant,            // This instruction has a constant value
  39     overdefined          // This instruction has an unknown value
  40   } LatticeValue;        // The current lattice position
  41   Constant *ConstantVal; // If Constant value, the current value
  42 public:
  43   inline InstVal() : LatticeValue(undefined), ConstantVal(0) {}
  44
  45   // markOverdefined - Return true if this is a new status to be in...
  46   inline bool markOverdefined() {
  47     if (LatticeValue != overdefined) {
  48       LatticeValue = overdefined;
  49       return true;
  50     }
  51     return false;
  52   }
  53
  54   // markConstant - Return true if this is a new status for us...
  55   inline bool markConstant(Constant *V) {
  56     if (LatticeValue != constant) {
  57       LatticeValue = constant;
  58       ConstantVal = V;
  59       return true;
  60     } else {
  61       assert(ConstantVal == V && "Marking constant with different value");
  62     }
  63     return false;
  64   }
  65
  66   inline bool isUndefined()   const { return LatticeValue == undefined; }
  67   inline bool isConstant()    const { return LatticeValue == constant; }
  68   inline bool isOverdefined() const { return LatticeValue == overdefined; }
  69
  70   inline Constant *getConstant() const { return ConstantVal; }
  71 };
  72
  73 } // end anonymous namespace
  74
  75
  76 //===----------------------------------------------------------------------===//
  77 // SCCP Class
  78 //
  79 // This class does all of the work of Sparse Conditional Constant Propagation.
  80 //
  81 namespace {
  82 class SCCP : public FunctionPass, public InstVisitor<SCCP> {
  83   std::set<BasicBlock*>     BBExecutable;// The basic blocks that are executable
  84   std::map<Value*, InstVal> ValueState;  // The state each value is in...
  85
  86   std::vector<Instruction*> InstWorkList;// The instruction work list
  87   std::vector<BasicBlock*>  BBWorkList;  // The BasicBlock work list
  88 public:
  89
  90   // runOnFunction - Run the Sparse Conditional Constant Propagation algorithm,
  91   // and return true if the function was modified.
  92   //
  93   bool runOnFunction(Function &F);
  94
  95   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  96     AU.setPreservesCFG();
  97   }
  98
  99
 100   //===--------------------------------------------------------------------===//
 101   // The implementation of this class
 102   //
 103 private:
 104   friend class InstVisitor<SCCP>;        // Allow callbacks from visitor
 105
 106   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "constant".  If the value
 107   // is not already a constant, add it to the instruction work list so that
 108   // the users of the instruction are updated later.
 109   //
 110   inline bool markConstant(Instruction *I, Constant *V) {
 111     if (ValueState[I].markConstant(V)) {
 112       DEBUG(std::cerr << "markConstant: " << V << " = " << I);
 113       InstWorkList.push_back(I);
 114       return true;
 115     }
 116     return false;
 117   }
 118
 119   // markValueOverdefined - Make a value be marked as "overdefined". If the
 120   // value is not already overdefined, add it to the instruction work list so
 121   // that the users of the instruction are updated later.
 122   //
 123   inline bool markOverdefined(Value *V) {
 124     if (ValueState[V].markOverdefined()) {
 125       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
 126         DEBUG(std::cerr << "markOverdefined: " << V);
 127         InstWorkList.push_back(I);  // Only instructions go on the work list
 128       }
 129       return true;
 130     }
 131     return false;
 132   }
 133
 134   // getValueState - Return the InstVal object that corresponds to the value.
 135   // This function is necessary because not all values should start out in the
 136   // underdefined state... Argument's should be overdefined, and
 137   // constants should be marked as constants.  If a value is not known to be an
 138   // Instruction object, then use this accessor to get its value from the map.
 139   //
 140   inline InstVal &getValueState(Value *V) {
 141     std::map<Value*, InstVal>::iterator I = ValueState.find(V);
 142     if (I != ValueState.end()) return I->second;  // Common case, in the map
 143
 144     if (Constant *CPV = dyn_cast<Constant>(V)) {  // Constants are constant
 145       ValueState[CPV].markConstant(CPV);
 146     } else if (isa<Argument>(V)) {                // Arguments are overdefined
 147       ValueState[V].markOverdefined();
 148     } else if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) {
 149       // The address of a global is a constant...
 150       ValueState[V].markConstant(ConstantPointerRef::get(GV));
 151     }
 152     // All others are underdefined by default...
 153     return ValueState[V];
 154   }
 155
 156   // markExecutable - Mark a basic block as executable, adding it to the BB
 157   // work list if it is not already executable...
 158   //
 159   void markExecutable(BasicBlock *BB) {
 160     if (BBExecutable.count(BB)) {
 161       // BB is already executable, but we may have just made an edge feasible
 162       // that wasn't before.  Add the PHI nodes to the work list so that they
 163       // can be rechecked.
 164       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
 165            PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
 166         visitPHINode(*PN);
 167
 168     } else {
 169       DEBUG(std::cerr << "Marking BB Executable: " << *BB);
 170       BBExecutable.insert(BB);   // Basic block is executable!
 171       BBWorkList.push_back(BB);  // Add the block to the work list!
 172     }
 173   }
 174
 175
 176   // visit implementations - Something changed in this instruction... Either an
 177   // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
 178   // the value type of I to reflect these changes if appropriate.
 179   //
 180   void visitPHINode(PHINode &I);
 181
 182   // Terminators
 183   void visitReturnInst(ReturnInst &I) { /*does not have an effect*/ }
 184   void visitTerminatorInst(TerminatorInst &TI);
 185
 186   void visitCastInst(CastInst &I);
 187   void visitBinaryOperator(Instruction &I);
 188   void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator(I); }
 189
 190   // Instructions that cannot be folded away...
 191   void visitStoreInst     (Instruction &I) { /*returns void*/ }
 192   void visitLoadInst      (Instruction &I) { markOverdefined(&I); }
 193   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &I);
 194   void visitCallInst      (Instruction &I) { markOverdefined(&I); }
 195   void visitInvokeInst    (TerminatorInst &I) {
 196     markOverdefined(&I);
 197     visitTerminatorInst(I);
 198   }
 199   void visitUnwindInst    (TerminatorInst &I) { /*returns void*/ }
 200   void visitAllocationInst(Instruction &I) { markOverdefined(&I); }
 201   void visitVarArgInst    (Instruction &I) { markOverdefined(&I); }
 202   void visitFreeInst      (Instruction &I) { /*returns void*/ }
 203
 204   void visitInstruction(Instruction &I) {
 205     // If a new instruction is added to LLVM that we don't handle...
 206     std::cerr << "SCCP: Don't know how to handle: " << I;
 207     markOverdefined(&I);   // Just in case
 208   }
 209
 210   // getFeasibleSuccessors - Return a vector of booleans to indicate which
 211   // successors are reachable from a given terminator instruction.
 212   //
 213   void getFeasibleSuccessors(TerminatorInst &TI, std::vector<bool> &Succs);
 214
 215   // isEdgeFeasible - Return true if the control flow edge from the 'From' basic
 216   // block to the 'To' basic block is currently feasible...
 217   //
 218   bool isEdgeFeasible(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
 219
 220   // OperandChangedState - This method is invoked on all of the users of an
 221   // instruction that was just changed state somehow....  Based on this
 222   // information, we need to update the specified user of this instruction.
 223   //
 224   void OperandChangedState(User *U) {
 225     // Only instructions use other variable values!
 226     Instruction &I = cast<Instruction>(*U);
 227     if (BBExecutable.count(I.getParent()))   // Inst is executable?
 228       visit(I);
 229   }
 230 };
 231
 232   RegisterOpt<SCCP> X("sccp", "Sparse Conditional Constant Propagation");
 233 } // end anonymous namespace
 234
 235
 236 // createSCCPPass - This is the public interface to this file...
 237 //
 238 Pass *createSCCPPass() {
 239   return new SCCP();
 240 }
 241
 242
 243 //===----------------------------------------------------------------------===//
 244 // SCCP Class Implementation
 245
 246
 247 // runOnFunction() - Run the Sparse Conditional Constant Propagation algorithm,
 248 // and return true if the function was modified.
 249 //
 250 bool SCCP::runOnFunction(Function &F) {
 251   // Mark the first block of the function as being executable...
 252   markExecutable(&F.front());
 253
 254   // Process the work lists until their are empty!
 255   while (!BBWorkList.empty() || !InstWorkList.empty()) {
 256     // Process the instruction work list...
 257     while (!InstWorkList.empty()) {
 258       Instruction *I = InstWorkList.back();
 259       InstWorkList.pop_back();
 260
 261       DEBUG(std::cerr << "\nPopped off I-WL: " << I);
 262
 263       // "I" got into the work list because it either made the transition from
 264       // bottom to constant, or to Overdefined.
 265       //
 266       // Update all of the users of this instruction's value...
 267       //
 268       for_each(I->use_begin(), I->use_end(),
 269                bind_obj(this, &SCCP::OperandChangedState));
 270     }
 271
 272     // Process the basic block work list...
 273     while (!BBWorkList.empty()) {
 274       BasicBlock *BB = BBWorkList.back();
 275       BBWorkList.pop_back();
 276
 277       DEBUG(std::cerr << "\nPopped off BBWL: " << BB);
 278
 279       // Notify all instructions in this basic block that they are newly
 280       // executable.
 281       visit(BB);
 282     }
 283   }
 284
 285   if (DebugFlag) {
 286     for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
 287       if (!BBExecutable.count(I))
 288         std::cerr << "BasicBlock Dead:" << *I;
 289   }
 290
 291   // Iterate over all of the instructions in a function, replacing them with
 292   // constants if we have found them to be of constant values.
 293   //
 294   bool MadeChanges = false;
 295   for (Function::iterator BB = F.begin(), BBE = F.end(); BB != BBE; ++BB)
 296     for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(); BI != BB->end();) {
 297       Instruction &Inst = *BI;
 298       InstVal &IV = ValueState[&Inst];
 299       if (IV.isConstant()) {
 300         Constant *Const = IV.getConstant();
 301         DEBUG(std::cerr << "Constant: " << Const << " = " << Inst);
 302
 303         // Replaces all of the uses of a variable with uses of the constant.
 304         Inst.replaceAllUsesWith(Const);
 305
 306         // Remove the operator from the list of definitions... and delete it.
 307         BI = BB->getInstList().erase(BI);
 308
 309         // Hey, we just changed something!
 310         MadeChanges = true;
 311         ++NumInstRemoved;
 312       } else {
 313         ++BI;
 314       }
 315     }
 316
 317   // Reset state so that the next invocation will have empty data structures
 318   BBExecutable.clear();
 319   ValueState.clear();
 320   std::vector<Instruction*>().swap(InstWorkList);
 321   std::vector<BasicBlock*>().swap(BBWorkList);
 322
 323   return MadeChanges;
 324 }
 325
 326
 327 // getFeasibleSuccessors - Return a vector of booleans to indicate which
 328 // successors are reachable from a given terminator instruction.
 329 //
 330 void SCCP::getFeasibleSuccessors(TerminatorInst &TI, std::vector<bool> &Succs) {
 331   Succs.resize(TI.getNumSuccessors());
 332   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(&TI)) {
 333     if (BI->isUnconditional()) {
 334       Succs[0] = true;
 335     } else {
 336       InstVal &BCValue = getValueState(BI->getCondition());
 337       if (BCValue.isOverdefined()) {
 338         // Overdefined condition variables mean the branch could go either way.
 339         Succs[0] = Succs[1] = true;
 340       } else if (BCValue.isConstant()) {
 341         // Constant condition variables mean the branch can only go a single way
 342         Succs[BCValue.getConstant() == ConstantBool::False] = true;
 343       }
 344     }
 345   } else if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(&TI)) {
 346     // Invoke instructions successors are always executable.
 347     Succs[0] = Succs[1] = true;
 348   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(&TI)) {
 349     InstVal &SCValue = getValueState(SI->getCondition());
 350     if (SCValue.isOverdefined()) {  // Overdefined condition?
 351       // All destinations are executable!
 352       Succs.assign(TI.getNumSuccessors(), true);
 353     } else if (SCValue.isConstant()) {
 354       Constant *CPV = SCValue.getConstant();
 355       // Make sure to skip the "default value" which isn't a value
 356       for (unsigned i = 1, E = SI->getNumSuccessors(); i != E; ++i) {
 357         if (SI->getSuccessorValue(i) == CPV) {// Found the right branch...
 358           Succs[i] = true;
 359           return;
 360         }
 361       }
 362
 363       // Constant value not equal to any of the branches... must execute
 364       // default branch then...
 365       Succs[0] = true;
 366     }
 367   } else {
 368     std::cerr << "SCCP: Don't know how to handle: " << TI;
 369     Succs.assign(TI.getNumSuccessors(), true);
 370   }
 371 }
 372
 373
 374 // isEdgeFeasible - Return true if the control flow edge from the 'From' basic
 375 // block to the 'To' basic block is currently feasible...
 376 //
 377 bool SCCP::isEdgeFeasible(BasicBlock *From, BasicBlock *To) {
 378   assert(BBExecutable.count(To) && "Dest should always be alive!");
 379
 380   // Make sure the source basic block is executable!!
 381   if (!BBExecutable.count(From)) return false;
 382
 383   // Check to make sure this edge itself is actually feasible now...
 384   TerminatorInst *FT = From->getTerminator();
 385   std::vector<bool> SuccFeasible;
 386   getFeasibleSuccessors(*FT, SuccFeasible);
 387
 388   // Check all edges from From to To.  If any are feasible, return true.
 389   for (unsigned i = 0, e = SuccFeasible.size(); i != e; ++i)
 390     if (FT->getSuccessor(i) == To && SuccFeasible[i])
 391       return true;
 392
 393   // Otherwise, none of the edges are actually feasible at this time...
 394   return false;
 395 }
 396
 397 // visit Implementations - Something changed in this instruction... Either an
 398 // operand made a transition, or the instruction is newly executable.  Change
 399 // the value type of I to reflect these changes if appropriate.  This method
 400 // makes sure to do the following actions:
 401 //
 402 // 1. If a phi node merges two constants in, and has conflicting value coming
 403 //    from different branches, or if the PHI node merges in an overdefined
 404 //    value, then the PHI node becomes overdefined.
 405 // 2. If a phi node merges only constants in, and they all agree on value, the
 406 //    PHI node becomes a constant value equal to that.
 407 // 3. If V <- x (op) y && isConstant(x) && isConstant(y) V = Constant
 408 // 4. If V <- x (op) y && (isOverdefined(x) || isOverdefined(y)) V = Overdefined
 409 // 5. If V <- MEM or V <- CALL or V <- (unknown) then V = Overdefined
 410 // 6. If a conditional branch has a value that is constant, make the selected
 411 //    destination executable
 412 // 7. If a conditional branch has a value that is overdefined, make all
 413 //    successors executable.
 414 //
 415 void SCCP::visitPHINode(PHINode &PN) {
 416   if (getValueState(&PN).isOverdefined()) return;  // Quick exit
 417
 418   // Look at all of the executable operands of the PHI node.  If any of them
 419   // are overdefined, the PHI becomes overdefined as well.  If they are all
 420   // constant, and they agree with each other, the PHI becomes the identical
 421   // constant.  If they are constant and don't agree, the PHI is overdefined.
 422   // If there are no executable operands, the PHI remains undefined.
 423   //
 424   Constant *OperandVal = 0;
 425   for (unsigned i = 0, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 426     InstVal &IV = getValueState(PN.getIncomingValue(i));
 427     if (IV.isUndefined()) continue;  // Doesn't influence PHI node.
 428
 429     if (isEdgeFeasible(PN.getIncomingBlock(i), PN.getParent())) {
 430       if (IV.isOverdefined()) {   // PHI node becomes overdefined!
 431         markOverdefined(&PN);
 432         return;
 433       }
 434
 435       if (OperandVal == 0) {   // Grab the first value...
 436         OperandVal = IV.getConstant();
 437       } else {                // Another value is being merged in!
 438         // There is already a reachable operand.  If we conflict with it,
 439         // then the PHI node becomes overdefined.  If we agree with it, we
 440         // can continue on.
 441
 442         // Check to see if there are two different constants merging...
 443         if (IV.getConstant() != OperandVal) {
 444           // Yes there is.  This means the PHI node is not constant.
 445           // You must be overdefined poor PHI.
 446           //
 447           markOverdefined(&PN);         // The PHI node now becomes overdefined
 448           return;    // I'm done analyzing you
 449         }
 450       }
 451     }
 452   }
 453
 454   // If we exited the loop, this means that the PHI node only has constant
 455   // arguments that agree with each other(and OperandVal is the constant) or
 456   // OperandVal is null because there are no defined incoming arguments.  If
 457   // this is the case, the PHI remains undefined.
 458   //
 459   if (OperandVal)
 460     markConstant(&PN, OperandVal);      // Aquire operand value
 461 }
 462
 463 void SCCP::visitTerminatorInst(TerminatorInst &TI) {
 464   std::vector<bool> SuccFeasible;
 465   getFeasibleSuccessors(TI, SuccFeasible);
 466
 467   // Mark all feasible successors executable...
 468   for (unsigned i = 0, e = SuccFeasible.size(); i != e; ++i)
 469     if (SuccFeasible[i]) {
 470       BasicBlock *Succ = TI.getSuccessor(i);
 471       markExecutable(Succ);
 472     }
 473 }
 474
 475 void SCCP::visitCastInst(CastInst &I) {
 476   Value *V = I.getOperand(0);
 477   InstVal &VState = getValueState(V);
 478   if (VState.isOverdefined()) {        // Inherit overdefinedness of operand
 479     markOverdefined(&I);
 480   } else if (VState.isConstant()) {    // Propagate constant value
 481     Constant *Result =
 482       ConstantFoldCastInstruction(VState.getConstant(), I.getType());
 483
 484     if (Result) {
 485       // This instruction constant folds!
 486       markConstant(&I, Result);
 487     } else {
 488       markOverdefined(&I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
 489     }
 490   }
 491 }
 492
 493 // Handle BinaryOperators and Shift Instructions...
 494 void SCCP::visitBinaryOperator(Instruction &I) {
 495   InstVal &V1State = getValueState(I.getOperand(0));
 496   InstVal &V2State = getValueState(I.getOperand(1));
 497   if (V1State.isOverdefined() || V2State.isOverdefined()) {
 498     markOverdefined(&I);
 499   } else if (V1State.isConstant() && V2State.isConstant()) {
 500     Constant *Result = 0;
 501     if (isa<BinaryOperator>(I))
 502       Result = ConstantFoldBinaryInstruction(I.getOpcode(),
 503                                              V1State.getConstant(),
 504                                              V2State.getConstant());
 505     else if (isa<ShiftInst>(I))
 506       Result = ConstantFoldShiftInstruction(I.getOpcode(),
 507                                             V1State.getConstant(),
 508                                             V2State.getConstant());
 509     if (Result)
 510       markConstant(&I, Result);      // This instruction constant folds!
 511     else
 512       markOverdefined(&I);   // Don't know how to fold this instruction.  :(
 513   }
 514 }
 515
 516 // Handle getelementptr instructions... if all operands are constants then we
 517 // can turn this into a getelementptr ConstantExpr.
 518 //
 519 void SCCP::visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &I) {
 520   std::vector<Constant*> Operands;
 521   Operands.reserve(I.getNumOperands());
 522
 523   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i) {
 524     InstVal &State = getValueState(I.getOperand(i));
 525     if (State.isUndefined())
 526       return;  // Operands are not resolved yet...
 527     else if (State.isOverdefined()) {
 528       markOverdefined(&I);
 529       return;
 530     }
 531     assert(State.isConstant() && "Unknown state!");
 532     Operands.push_back(State.getConstant());
 533   }
 534
 535   Constant *Ptr = Operands[0];
 536   Operands.erase(Operands.begin());  // Erase the pointer from idx list...
 537
 538   markConstant(&I, ConstantExpr::getGetElementPtr(Ptr, Operands));
 539 }