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