dbda627072510936d320de386f8230d494a13b92
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SROA.cpp
1 //===- SROA.cpp - Scalar Replacement Of Aggregates ------------------------===//
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 /// \file
10 /// This transformation implements the well known scalar replacement of
11 /// aggregates transformation. It tries to identify promotable elements of an
12 /// aggregate alloca, and promote them to registers. It will also try to
13 /// convert uses of an element (or set of elements) of an alloca into a vector
14 /// or bitfield-style integer scalar if appropriate.
15 ///
16 /// It works to do this with minimal slicing of the alloca so that regions
17 /// which are merely transferred in and out of external memory remain unchanged
18 /// and are not decomposed to scalar code.
19 ///
20 /// Because this also performs alloca promotion, it can be thought of as also
21 /// serving the purpose of SSA formation. The algorithm iterates on the
22 /// function until all opportunities for promotion have been realized.
23 ///
24 //===----------------------------------------------------------------------===//
25
26 #define DEBUG_TYPE "sroa"
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/Constants.h"
29 #include "llvm/DIBuilder.h"
30 #include "llvm/DebugInfo.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/GlobalVariable.h"
34 #include "llvm/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Instructions.h"
36 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
37 #include "llvm/LLVMContext.h"
38 #include "llvm/Module.h"
39 #include "llvm/Operator.h"
40 #include "llvm/Pass.h"
41 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
45 #include "llvm/ADT/TinyPtrVector.h"
46 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
47 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
48 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
49 #include "llvm/Support/CallSite.h"
50 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
51 #include "llvm/Support/Debug.h"
52 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
53 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
54 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
55 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
56 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Target/TargetData.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
61 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
62 using namespace llvm;
63
64 STATISTIC(NumAllocasAnalyzed, "Number of allocas analyzed for replacement");
65 STATISTIC(NumNewAllocas,      "Number of new, smaller allocas introduced");
66 STATISTIC(NumPromoted,        "Number of allocas promoted to SSA values");
67 STATISTIC(NumLoadsSpeculated, "Number of loads speculated to allow promotion");
68 STATISTIC(NumDeleted,         "Number of instructions deleted");
69 STATISTIC(NumVectorized,      "Number of vectorized aggregates");
70
71 /// Hidden option to force the pass to not use DomTree and mem2reg, instead
72 /// forming SSA values through the SSAUpdater infrastructure.
73 static cl::opt<bool>
74 ForceSSAUpdater("force-ssa-updater", cl::init(false), cl::Hidden);
75
76 namespace {
77 /// \brief Alloca partitioning representation.
78 ///
79 /// This class represents a partitioning of an alloca into slices, and
80 /// information about the nature of uses of each slice of the alloca. The goal
81 /// is that this information is sufficient to decide if and how to split the
82 /// alloca apart and replace slices with scalars. It is also intended that this
83 /// structure can capture the relevant information needed both to decide about
84 /// and to enact these transformations.
85 class AllocaPartitioning {
86 public:
87   /// \brief A common base class for representing a half-open byte range.
88   struct ByteRange {
89     /// \brief The beginning offset of the range.
90     uint64_t BeginOffset;
91
92     /// \brief The ending offset, not included in the range.
93     uint64_t EndOffset;
94
95     ByteRange() : BeginOffset(), EndOffset() {}
96     ByteRange(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset)
97         : BeginOffset(BeginOffset), EndOffset(EndOffset) {}
98
99     /// \brief Support for ordering ranges.
100     ///
101     /// This provides an ordering over ranges such that start offsets are
102     /// always increasing, and within equal start offsets, the end offsets are
103     /// decreasing. Thus the spanning range comes first in a cluster with the
104     /// same start position.
105     bool operator<(const ByteRange &RHS) const {
106       if (BeginOffset < RHS.BeginOffset) return true;
107       if (BeginOffset > RHS.BeginOffset) return false;
108       if (EndOffset > RHS.EndOffset) return true;
109       return false;
110     }
111
112     /// \brief Support comparison with a single offset to allow binary searches.
113     friend bool operator<(const ByteRange &LHS, uint64_t RHSOffset) {
114       return LHS.BeginOffset < RHSOffset;
115     }
116
117     friend LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED bool operator<(uint64_t LHSOffset,
118                                                 const ByteRange &RHS) {
119       return LHSOffset < RHS.BeginOffset;
120     }
121
122     bool operator==(const ByteRange &RHS) const {
123       return BeginOffset == RHS.BeginOffset && EndOffset == RHS.EndOffset;
124     }
125     bool operator!=(const ByteRange &RHS) const { return !operator==(RHS); }
126   };
127
128   /// \brief A partition of an alloca.
129   ///
130   /// This structure represents a contiguous partition of the alloca. These are
131   /// formed by examining the uses of the alloca. During formation, they may
132   /// overlap but once an AllocaPartitioning is built, the Partitions within it
133   /// are all disjoint.
134   struct Partition : public ByteRange {
135     /// \brief Whether this partition is splittable into smaller partitions.
136     ///
137     /// We flag partitions as splittable when they are formed entirely due to
138     /// accesses by trivially splittable operations such as memset and memcpy.
139     ///
140     /// FIXME: At some point we should consider loads and stores of FCAs to be
141     /// splittable and eagerly split them into scalar values.
142     bool IsSplittable;
143
144     Partition() : ByteRange(), IsSplittable() {}
145     Partition(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset, bool IsSplittable)
146         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), IsSplittable(IsSplittable) {}
147   };
148
149   /// \brief A particular use of a partition of the alloca.
150   ///
151   /// This structure is used to associate uses of a partition with it. They
152   /// mark the range of bytes which are referenced by a particular instruction,
153   /// and includes a handle to the user itself and the pointer value in use.
154   /// The bounds of these uses are determined by intersecting the bounds of the
155   /// memory use itself with a particular partition. As a consequence there is
156   /// intentionally overlap between various uses of the same partition.
157   struct PartitionUse : public ByteRange {
158     /// \brief The user of this range of the alloca.
159     AssertingVH<Instruction> User;
160
161     /// \brief The particular pointer value derived from this alloca in use.
162     AssertingVH<Instruction> Ptr;
163
164     PartitionUse() : ByteRange(), User(), Ptr() {}
165     PartitionUse(uint64_t BeginOffset, uint64_t EndOffset,
166                  Instruction *User, Instruction *Ptr)
167         : ByteRange(BeginOffset, EndOffset), User(User), Ptr(Ptr) {}
168   };
169
170   /// \brief Construct a partitioning of a particular alloca.
171   ///
172   /// Construction does most of the work for partitioning the alloca. This
173   /// performs the necessary walks of users and builds a partitioning from it.
174   AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI);
175
176   /// \brief Test whether a pointer to the allocation escapes our analysis.
177   ///
178   /// If this is true, the partitioning is never fully built and should be
179   /// ignored.
180   bool isEscaped() const { return PointerEscapingInstr; }
181
182   /// \brief Support for iterating over the partitions.
183   /// @{
184   typedef SmallVectorImpl<Partition>::iterator iterator;
185   iterator begin() { return Partitions.begin(); }
186   iterator end() { return Partitions.end(); }
187
188   typedef SmallVectorImpl<Partition>::const_iterator const_iterator;
189   const_iterator begin() const { return Partitions.begin(); }
190   const_iterator end() const { return Partitions.end(); }
191   /// @}
192
193   /// \brief Support for iterating over and manipulating a particular
194   /// partition's uses.
195   ///
196   /// The iteration support provided for uses is more limited, but also
197   /// includes some manipulation routines to support rewriting the uses of
198   /// partitions during SROA.
199   /// @{
200   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::iterator use_iterator;
201   use_iterator use_begin(unsigned Idx) { return Uses[Idx].begin(); }
202   use_iterator use_begin(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].begin(); }
203   use_iterator use_end(unsigned Idx) { return Uses[Idx].end(); }
204   use_iterator use_end(const_iterator I) { return Uses[I - begin()].end(); }
205   void use_push_back(unsigned Idx, const PartitionUse &U) {
206     Uses[Idx].push_back(U);
207   }
208   void use_push_back(const_iterator I, const PartitionUse &U) {
209     Uses[I - begin()].push_back(U);
210   }
211   void use_erase(unsigned Idx, use_iterator UI) { Uses[Idx].erase(UI); }
212   void use_erase(const_iterator I, use_iterator UI) {
213     Uses[I - begin()].erase(UI);
214   }
215
216   typedef SmallVectorImpl<PartitionUse>::const_iterator const_use_iterator;
217   const_use_iterator use_begin(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].begin(); }
218   const_use_iterator use_begin(const_iterator I) const {
219     return Uses[I - begin()].begin();
220   }
221   const_use_iterator use_end(unsigned Idx) const { return Uses[Idx].end(); }
222   const_use_iterator use_end(const_iterator I) const {
223     return Uses[I - begin()].end();
224   }
225   /// @}
226
227   /// \brief Allow iterating the dead users for this alloca.
228   ///
229   /// These are instructions which will never actually use the alloca as they
230   /// are outside the allocated range. They are safe to replace with undef and
231   /// delete.
232   /// @{
233   typedef SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator dead_user_iterator;
234   dead_user_iterator dead_user_begin() const { return DeadUsers.begin(); }
235   dead_user_iterator dead_user_end() const { return DeadUsers.end(); }
236   /// @}
237
238   /// \brief Allow iterating the dead expressions referring to this alloca.
239   ///
240   /// These are operands which have cannot actually be used to refer to the
241   /// alloca as they are outside its range and the user doesn't correct for
242   /// that. These mostly consist of PHI node inputs and the like which we just
243   /// need to replace with undef.
244   /// @{
245   typedef SmallVectorImpl<Use *>::const_iterator dead_op_iterator;
246   dead_op_iterator dead_op_begin() const { return DeadOperands.begin(); }
247   dead_op_iterator dead_op_end() const { return DeadOperands.end(); }
248   /// @}
249
250   /// \brief MemTransferInst auxiliary data.
251   /// This struct provides some auxiliary data about memory transfer
252   /// intrinsics such as memcpy and memmove. These intrinsics can use two
253   /// different ranges within the same alloca, and provide other challenges to
254   /// correctly represent. We stash extra data to help us untangle this
255   /// after the partitioning is complete.
256   struct MemTransferOffsets {
257     uint64_t DestBegin, DestEnd;
258     uint64_t SourceBegin, SourceEnd;
259     bool IsSplittable;
260   };
261   MemTransferOffsets getMemTransferOffsets(MemTransferInst &II) const {
262     return MemTransferInstData.lookup(&II);
263   }
264
265   /// \brief Map from a PHI or select operand back to a partition.
266   ///
267   /// When manipulating PHI nodes or selects, they can use more than one
268   /// partition of an alloca. We store a special mapping to allow finding the
269   /// partition referenced by each of these operands, if any.
270   iterator findPartitionForPHIOrSelectOperand(Instruction &I, Value *Op) {
271     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
272                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
273       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
274     if (MapIt == PHIOrSelectOpMap.end())
275       return end();
276
277     return begin() + MapIt->second.first;
278   }
279
280   /// \brief Map from a PHI or select operand back to the specific use of
281   /// a partition.
282   ///
283   /// Similar to mapping these operands back to the partitions, this maps
284   /// directly to the use structure of that partition.
285   use_iterator findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(Instruction &I,
286                                                      Value *Op) {
287     SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
288                   std::pair<unsigned, unsigned> >::const_iterator MapIt
289       = PHIOrSelectOpMap.find(std::make_pair(&I, Op));
290     assert(MapIt != PHIOrSelectOpMap.end());
291     return Uses[MapIt->second.first].begin() + MapIt->second.second;
292   }
293
294   /// \brief Compute a common type among the uses of a particular partition.
295   ///
296   /// This routines walks all of the uses of a particular partition and tries
297   /// to find a common type between them. Untyped operations such as memset and
298   /// memcpy are ignored.
299   Type *getCommonType(iterator I) const;
300
301 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
302   void print(raw_ostream &OS, const_iterator I, StringRef Indent = "  ") const;
303   void printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
304                   StringRef Indent = "  ") const;
305   void print(raw_ostream &OS) const;
306   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump(const_iterator I) const;
307   void LLVM_ATTRIBUTE_NOINLINE LLVM_ATTRIBUTE_USED dump() const;
308 #endif
309
310 private:
311   template <typename DerivedT, typename RetT = void> class BuilderBase;
312   class PartitionBuilder;
313   friend class AllocaPartitioning::PartitionBuilder;
314   class UseBuilder;
315   friend class AllocaPartitioning::UseBuilder;
316
317 #ifndef NDEBUG
318   /// \brief Handle to alloca instruction to simplify method interfaces.
319   AllocaInst &AI;
320 #endif
321
322   /// \brief The instruction responsible for this alloca having no partitioning.
323   ///
324   /// When an instruction (potentially) escapes the pointer to the alloca, we
325   /// store a pointer to that here and abort trying to partition the alloca.
326   /// This will be null if the alloca is partitioned successfully.
327   Instruction *PointerEscapingInstr;
328
329   /// \brief The partitions of the alloca.
330   ///
331   /// We store a vector of the partitions over the alloca here. This vector is
332   /// sorted by increasing begin offset, and then by decreasing end offset. See
333   /// the Partition inner class for more details. Initially (during
334   /// construction) there are overlaps, but we form a disjoint sequence of
335   /// partitions while finishing construction and a fully constructed object is
336   /// expected to always have this as a disjoint space.
337   SmallVector<Partition, 8> Partitions;
338
339   /// \brief The uses of the partitions.
340   ///
341   /// This is essentially a mapping from each partition to a list of uses of
342   /// that partition. The mapping is done with a Uses vector that has the exact
343   /// same number of entries as the partition vector. Each entry is itself
344   /// a vector of the uses.
345   SmallVector<SmallVector<PartitionUse, 2>, 8> Uses;
346
347   /// \brief Instructions which will become dead if we rewrite the alloca.
348   ///
349   /// Note that these are not separated by partition. This is because we expect
350   /// a partitioned alloca to be completely rewritten or not rewritten at all.
351   /// If rewritten, all these instructions can simply be removed and replaced
352   /// with undef as they come from outside of the allocated space.
353   SmallVector<Instruction *, 8> DeadUsers;
354
355   /// \brief Operands which will become dead if we rewrite the alloca.
356   ///
357   /// These are operands that in their particular use can be replaced with
358   /// undef when we rewrite the alloca. These show up in out-of-bounds inputs
359   /// to PHI nodes and the like. They aren't entirely dead (there might be
360   /// a GEP back into the bounds using it elsewhere) and nor is the PHI, but we
361   /// want to swap this particular input for undef to simplify the use lists of
362   /// the alloca.
363   SmallVector<Use *, 8> DeadOperands;
364
365   /// \brief The underlying storage for auxiliary memcpy and memset info.
366   SmallDenseMap<MemTransferInst *, MemTransferOffsets, 4> MemTransferInstData;
367
368   /// \brief A side datastructure used when building up the partitions and uses.
369   ///
370   /// This mapping is only really used during the initial building of the
371   /// partitioning so that we can retain information about PHI and select nodes
372   /// processed.
373   SmallDenseMap<Instruction *, std::pair<uint64_t, bool> > PHIOrSelectSizes;
374
375   /// \brief Auxiliary information for particular PHI or select operands.
376   SmallDenseMap<std::pair<Instruction *, Value *>,
377                 std::pair<unsigned, unsigned>, 4> PHIOrSelectOpMap;
378
379   /// \brief A utility routine called from the constructor.
380   ///
381   /// This does what it says on the tin. It is the key of the alloca partition
382   /// splitting and merging. After it is called we have the desired disjoint
383   /// collection of partitions.
384   void splitAndMergePartitions();
385 };
386 }
387
388 template <typename DerivedT, typename RetT>
389 class AllocaPartitioning::BuilderBase
390     : public InstVisitor<DerivedT, RetT> {
391 public:
392   BuilderBase(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
393       : TD(TD),
394         AllocSize(TD.getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType())),
395         P(P) {
396     enqueueUsers(AI, 0);
397   }
398
399 protected:
400   const TargetData &TD;
401   const uint64_t AllocSize;
402   AllocaPartitioning &P;
403
404   struct OffsetUse {
405     Use *U;
406     int64_t Offset;
407   };
408   SmallVector<OffsetUse, 8> Queue;
409
410   // The active offset and use while visiting.
411   Use *U;
412   int64_t Offset;
413
414   void enqueueUsers(Instruction &I, int64_t UserOffset) {
415     SmallPtrSet<User *, 8> UserSet;
416     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end();
417          UI != UE; ++UI) {
418       if (!UserSet.insert(*UI))
419         continue;
420
421       OffsetUse OU = { &UI.getUse(), UserOffset };
422       Queue.push_back(OU);
423     }
424   }
425
426   bool computeConstantGEPOffset(GetElementPtrInst &GEPI, int64_t &GEPOffset) {
427     GEPOffset = Offset;
428     for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEPI), GTE = gep_type_end(GEPI);
429          GTI != GTE; ++GTI) {
430       ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
431       if (!OpC)
432         return false;
433       if (OpC->isZero())
434         continue;
435
436       // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
437       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
438         unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
439         const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
440         uint64_t ElementOffset = SL->getElementOffset(ElementIdx);
441         // Check that we can continue to model this GEP in a signed 64-bit offset.
442         if (ElementOffset > INT64_MAX ||
443             (GEPOffset >= 0 &&
444              ((uint64_t)GEPOffset + ElementOffset) > INT64_MAX)) {
445           DEBUG(dbgs() << "WARNING: Encountered a cumulative offset exceeding "
446                        << "what can be represented in an int64_t!\n"
447                        << "  alloca: " << P.AI << "\n");
448           return false;
449         }
450         if (GEPOffset < 0)
451           GEPOffset = ElementOffset + (uint64_t)-GEPOffset;
452         else
453           GEPOffset += ElementOffset;
454         continue;
455       }
456
457       APInt Index = OpC->getValue().sextOrTrunc(TD.getPointerSizeInBits());
458       Index *= APInt(Index.getBitWidth(),
459                      TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
460       Index += APInt(Index.getBitWidth(), (uint64_t)GEPOffset,
461                      /*isSigned*/true);
462       // Check if the result can be stored in our int64_t offset.
463       if (!Index.isSignedIntN(sizeof(GEPOffset) * 8)) {
464         DEBUG(dbgs() << "WARNING: Encountered a cumulative offset exceeding "
465                      << "what can be represented in an int64_t!\n"
466                      << "  alloca: " << P.AI << "\n");
467         return false;
468       }
469
470       GEPOffset = Index.getSExtValue();
471     }
472     return true;
473   }
474
475   Value *foldSelectInst(SelectInst &SI) {
476     // If the condition being selected on is a constant or the same value is
477     // being selected between, fold the select. Yes this does (rarely) happen
478     // early on.
479     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(SI.getCondition()))
480       return SI.getOperand(1+CI->isZero());
481     if (SI.getOperand(1) == SI.getOperand(2)) {
482       assert(*U == SI.getOperand(1));
483       return SI.getOperand(1);
484     }
485     return 0;
486   }
487 };
488
489 /// \brief Builder for the alloca partitioning.
490 ///
491 /// This class builds an alloca partitioning by recursively visiting the uses
492 /// of an alloca and splitting the partitions for each load and store at each
493 /// offset.
494 class AllocaPartitioning::PartitionBuilder
495     : public BuilderBase<PartitionBuilder, bool> {
496   friend class InstVisitor<PartitionBuilder, bool>;
497
498   SmallDenseMap<Instruction *, unsigned> MemTransferPartitionMap;
499
500 public:
501   PartitionBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
502       : BuilderBase<PartitionBuilder, bool>(TD, AI, P) {}
503
504   /// \brief Run the builder over the allocation.
505   bool operator()() {
506     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
507     // the queue grows at the tail.
508     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
509       U = Queue[Idx].U;
510       Offset = Queue[Idx].Offset;
511       if (!visit(cast<Instruction>(U->getUser())))
512         return false;
513     }
514     return true;
515   }
516
517 private:
518   bool markAsEscaping(Instruction &I) {
519     P.PointerEscapingInstr = &I;
520     return false;
521   }
522
523   void insertUse(Instruction &I, int64_t Offset, uint64_t Size,
524                  bool IsSplittable = false) {
525     // Completely skip uses which don't overlap the allocation.
526     if ((Offset >= 0 && (uint64_t)Offset >= AllocSize) ||
527         (Offset < 0 && (uint64_t)-Offset >= Size)) {
528       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte use @" << Offset
529                    << " which starts past the end of the " << AllocSize
530                    << " byte alloca:\n"
531                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
532                    << "       use: " << I << "\n");
533       return;
534     }
535
536     // Clamp the start to the beginning of the allocation.
537     if (Offset < 0) {
538       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
539                    << " to start at the beginning of the alloca:\n"
540                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
541                    << "       use: " << I << "\n");
542       Size -= (uint64_t)-Offset;
543       Offset = 0;
544     }
545
546     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = BeginOffset + Size;
547
548     // Clamp the end offset to the end of the allocation. Note that this is
549     // formulated to handle even the case where "BeginOffset + Size" overflows.
550     assert(AllocSize >= BeginOffset); // Established above.
551     if (Size > AllocSize - BeginOffset) {
552       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Clamping a " << Size << " byte use @" << Offset
553                    << " to remain within the " << AllocSize << " byte alloca:\n"
554                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
555                    << "       use: " << I << "\n");
556       EndOffset = AllocSize;
557     }
558
559     // See if we can just add a user onto the last slot currently occupied.
560     if (!P.Partitions.empty() &&
561         P.Partitions.back().BeginOffset == BeginOffset &&
562         P.Partitions.back().EndOffset == EndOffset) {
563       P.Partitions.back().IsSplittable &= IsSplittable;
564       return;
565     }
566
567     Partition New(BeginOffset, EndOffset, IsSplittable);
568     P.Partitions.push_back(New);
569   }
570
571   bool handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I, int64_t Offset) {
572     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
573
574     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
575     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
576     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
577     // behavior of insertUse. We also try to handle cases which might run the
578     // risk of overflow.
579     // FIXME: We should instead consider the pointer to have escaped if this
580     // function is being instrumented for addressing bugs or race conditions.
581     if (Offset < 0 || (uint64_t)Offset >= AllocSize ||
582         Size > (AllocSize - (uint64_t)Offset)) {
583       DEBUG(dbgs() << "WARNING: Ignoring " << Size << " byte "
584                    << (isa<LoadInst>(I) ? "load" : "store") << " @" << Offset
585                    << " which extends past the end of the " << AllocSize
586                    << " byte alloca:\n"
587                    << "    alloca: " << P.AI << "\n"
588                    << "       use: " << I << "\n");
589       return true;
590     }
591
592     insertUse(I, Offset, Size);
593     return true;
594   }
595
596   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
597     enqueueUsers(BC, Offset);
598     return true;
599   }
600
601   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
602     int64_t GEPOffset;
603     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
604       return markAsEscaping(GEPI);
605
606     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
607     return true;
608   }
609
610   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
611     assert((!LI.isSimple() || LI.getType()->isSingleValueType()) &&
612            "All simple FCA loads should have been pre-split");
613     return handleLoadOrStore(LI.getType(), LI, Offset);
614   }
615
616   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
617     Value *ValOp = SI.getValueOperand();
618     if (ValOp == *U)
619       return markAsEscaping(SI);
620
621     assert((!SI.isSimple() || ValOp->getType()->isSingleValueType()) &&
622            "All simple FCA stores should have been pre-split");
623     return handleLoadOrStore(ValOp->getType(), SI, Offset);
624   }
625
626
627   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
628     assert(II.getRawDest() == *U && "Pointer use is not the destination?");
629     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
630     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
631     insertUse(II, Offset, Size, Length);
632     return true;
633   }
634
635   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
636     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
637     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
638     if (!Size)
639       // Zero-length mem transfer intrinsics can be ignored entirely.
640       return true;
641
642     MemTransferOffsets &Offsets = P.MemTransferInstData[&II];
643
644     // Only intrinsics with a constant length can be split.
645     Offsets.IsSplittable = Length;
646
647     if (*U != II.getRawDest()) {
648       assert(*U == II.getRawSource());
649       Offsets.SourceBegin = Offset;
650       Offsets.SourceEnd = Offset + Size;
651     } else {
652       Offsets.DestBegin = Offset;
653       Offsets.DestEnd = Offset + Size;
654     }
655
656     insertUse(II, Offset, Size, Offsets.IsSplittable);
657     unsigned NewIdx = P.Partitions.size() - 1;
658
659     SmallDenseMap<Instruction *, unsigned>::const_iterator PMI;
660     bool Inserted = false;
661     llvm::tie(PMI, Inserted)
662       = MemTransferPartitionMap.insert(std::make_pair(&II, NewIdx));
663     if (!Inserted && Offsets.IsSplittable) {
664       // We've found a memory transfer intrinsic which refers to the alloca as
665       // both a source and dest. We refuse to split these to simplify splitting
666       // logic. If possible, SROA will still split them into separate allocas
667       // and then re-analyze.
668       Offsets.IsSplittable = false;
669       P.Partitions[PMI->second].IsSplittable = false;
670       P.Partitions[NewIdx].IsSplittable = false;
671     }
672
673     return true;
674   }
675
676   // Disable SRoA for any intrinsics except for lifetime invariants.
677   // FIXME: What about debug instrinsics? This matches old behavior, but
678   // doesn't make sense.
679   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
680     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
681         II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end) {
682       ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
683       uint64_t Size = std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue());
684       insertUse(II, Offset, Size, true);
685       return true;
686     }
687
688     return markAsEscaping(II);
689   }
690
691   Instruction *hasUnsafePHIOrSelectUse(Instruction *Root, uint64_t &Size) {
692     // We consider any PHI or select that results in a direct load or store of
693     // the same offset to be a viable use for partitioning purposes. These uses
694     // are considered unsplittable and the size is the maximum loaded or stored
695     // size.
696     SmallPtrSet<Instruction *, 4> Visited;
697     SmallVector<std::pair<Instruction *, Instruction *>, 4> Uses;
698     Visited.insert(Root);
699     Uses.push_back(std::make_pair(cast<Instruction>(*U), Root));
700     do {
701       Instruction *I, *UsedI;
702       llvm::tie(UsedI, I) = Uses.pop_back_val();
703
704       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
705         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(LI->getType()));
706         continue;
707       }
708       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
709         Value *Op = SI->getOperand(0);
710         if (Op == UsedI)
711           return SI;
712         Size = std::max(Size, TD.getTypeStoreSize(Op->getType()));
713         continue;
714       }
715
716       if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I)) {
717         if (!GEP->hasAllZeroIndices())
718           return GEP;
719       } else if (!isa<BitCastInst>(I) && !isa<PHINode>(I) &&
720                  !isa<SelectInst>(I)) {
721         return I;
722       }
723
724       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end(); UI != UE;
725            ++UI)
726         if (Visited.insert(cast<Instruction>(*UI)))
727           Uses.push_back(std::make_pair(I, cast<Instruction>(*UI)));
728     } while (!Uses.empty());
729
730     return 0;
731   }
732
733   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
734     // See if we already have computed info on this node.
735     std::pair<uint64_t, bool> &PHIInfo = P.PHIOrSelectSizes[&PN];
736     if (PHIInfo.first) {
737       PHIInfo.second = true;
738       insertUse(PN, Offset, PHIInfo.first);
739       return true;
740     }
741
742     // Check for an unsafe use of the PHI node.
743     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&PN, PHIInfo.first))
744       return markAsEscaping(*EscapingI);
745
746     insertUse(PN, Offset, PHIInfo.first);
747     return true;
748   }
749
750   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
751     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
752       if (Result == *U)
753         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
754         // through the select as if we had RAUW'ed it.
755         enqueueUsers(SI, Offset);
756
757       return true;
758     }
759
760     // See if we already have computed info on this node.
761     std::pair<uint64_t, bool> &SelectInfo = P.PHIOrSelectSizes[&SI];
762     if (SelectInfo.first) {
763       SelectInfo.second = true;
764       insertUse(SI, Offset, SelectInfo.first);
765       return true;
766     }
767
768     // Check for an unsafe use of the PHI node.
769     if (Instruction *EscapingI = hasUnsafePHIOrSelectUse(&SI, SelectInfo.first))
770       return markAsEscaping(*EscapingI);
771
772     insertUse(SI, Offset, SelectInfo.first);
773     return true;
774   }
775
776   /// \brief Disable SROA entirely if there are unhandled users of the alloca.
777   bool visitInstruction(Instruction &I) { return markAsEscaping(I); }
778 };
779
780
781 /// \brief Use adder for the alloca partitioning.
782 ///
783 /// This class adds the uses of an alloca to all of the partitions which they
784 /// use. For splittable partitions, this can end up doing essentially a linear
785 /// walk of the partitions, but the number of steps remains bounded by the
786 /// total result instruction size:
787 /// - The number of partitions is a result of the number unsplittable
788 ///   instructions using the alloca.
789 /// - The number of users of each partition is at worst the total number of
790 ///   splittable instructions using the alloca.
791 /// Thus we will produce N * M instructions in the end, where N are the number
792 /// of unsplittable uses and M are the number of splittable. This visitor does
793 /// the exact same number of updates to the partitioning.
794 ///
795 /// In the more common case, this visitor will leverage the fact that the
796 /// partition space is pre-sorted, and do a logarithmic search for the
797 /// partition needed, making the total visit a classical ((N + M) * log(N))
798 /// complexity operation.
799 class AllocaPartitioning::UseBuilder : public BuilderBase<UseBuilder> {
800   friend class InstVisitor<UseBuilder>;
801
802   /// \brief Set to de-duplicate dead instructions found in the use walk.
803   SmallPtrSet<Instruction *, 4> VisitedDeadInsts;
804
805 public:
806   UseBuilder(const TargetData &TD, AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P)
807       : BuilderBase<UseBuilder>(TD, AI, P) {}
808
809   /// \brief Run the builder over the allocation.
810   void operator()() {
811     // Note that we have to re-evaluate size on each trip through the loop as
812     // the queue grows at the tail.
813     for (unsigned Idx = 0; Idx < Queue.size(); ++Idx) {
814       U = Queue[Idx].U;
815       Offset = Queue[Idx].Offset;
816       this->visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
817     }
818   }
819
820 private:
821   void markAsDead(Instruction &I) {
822     if (VisitedDeadInsts.insert(&I))
823       P.DeadUsers.push_back(&I);
824   }
825
826   void insertUse(Instruction &User, int64_t Offset, uint64_t Size) {
827     // If the use extends outside of the allocation, record it as a dead use
828     // for elimination later.
829     if ((uint64_t)Offset >= AllocSize ||
830         (Offset < 0 && (uint64_t)-Offset >= Size))
831       return markAsDead(User);
832
833     // Clamp the start to the beginning of the allocation.
834     if (Offset < 0) {
835       Size -= (uint64_t)-Offset;
836       Offset = 0;
837     }
838
839     uint64_t BeginOffset = Offset, EndOffset = BeginOffset + Size;
840
841     // Clamp the end offset to the end of the allocation. Note that this is
842     // formulated to handle even the case where "BeginOffset + Size" overflows.
843     assert(AllocSize >= BeginOffset); // Established above.
844     if (Size > AllocSize - BeginOffset)
845       EndOffset = AllocSize;
846
847     // NB: This only works if we have zero overlapping partitions.
848     iterator B = std::lower_bound(P.begin(), P.end(), BeginOffset);
849     if (B != P.begin() && llvm::prior(B)->EndOffset > BeginOffset)
850       B = llvm::prior(B);
851     for (iterator I = B, E = P.end(); I != E && I->BeginOffset < EndOffset;
852          ++I) {
853       PartitionUse NewUse(std::max(I->BeginOffset, BeginOffset),
854                           std::min(I->EndOffset, EndOffset),
855                           &User, cast<Instruction>(*U));
856       P.use_push_back(I, NewUse);
857       if (isa<PHINode>(U->getUser()) || isa<SelectInst>(U->getUser()))
858         P.PHIOrSelectOpMap[std::make_pair(&User, U->get())]
859           = std::make_pair(I - P.begin(), P.Uses[I - P.begin()].size() - 1);
860     }
861   }
862
863   void handleLoadOrStore(Type *Ty, Instruction &I, int64_t Offset) {
864     uint64_t Size = TD.getTypeStoreSize(Ty);
865
866     // If this memory access can be shown to *statically* extend outside the
867     // bounds of of the allocation, it's behavior is undefined, so simply
868     // ignore it. Note that this is more strict than the generic clamping
869     // behavior of insertUse.
870     if (Offset < 0 || (uint64_t)Offset >= AllocSize ||
871         Size > (AllocSize - (uint64_t)Offset))
872       return markAsDead(I);
873
874     insertUse(I, Offset, Size);
875   }
876
877   void visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
878     if (BC.use_empty())
879       return markAsDead(BC);
880
881     enqueueUsers(BC, Offset);
882   }
883
884   void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
885     if (GEPI.use_empty())
886       return markAsDead(GEPI);
887
888     int64_t GEPOffset;
889     if (!computeConstantGEPOffset(GEPI, GEPOffset))
890       llvm_unreachable("Unable to compute constant offset for use");
891
892     enqueueUsers(GEPI, GEPOffset);
893   }
894
895   void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
896     handleLoadOrStore(LI.getType(), LI, Offset);
897   }
898
899   void visitStoreInst(StoreInst &SI) {
900     handleLoadOrStore(SI.getOperand(0)->getType(), SI, Offset);
901   }
902
903   void visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
904     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
905     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
906     insertUse(II, Offset, Size);
907   }
908
909   void visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
910     ConstantInt *Length = dyn_cast<ConstantInt>(II.getLength());
911     uint64_t Size = Length ? Length->getZExtValue() : AllocSize - Offset;
912     insertUse(II, Offset, Size);
913   }
914
915   void visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
916     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
917            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
918
919     ConstantInt *Length = cast<ConstantInt>(II.getArgOperand(0));
920     insertUse(II, Offset,
921               std::min(AllocSize - Offset, Length->getLimitedValue()));
922   }
923
924   void insertPHIOrSelect(Instruction &User, uint64_t Offset) {
925     uint64_t Size = P.PHIOrSelectSizes.lookup(&User).first;
926
927     // For PHI and select operands outside the alloca, we can't nuke the entire
928     // phi or select -- the other side might still be relevant, so we special
929     // case them here and use a separate structure to track the operands
930     // themselves which should be replaced with undef.
931     if (Offset >= AllocSize) {
932       P.DeadOperands.push_back(U);
933       return;
934     }
935
936     insertUse(User, Offset, Size);
937   }
938   void visitPHINode(PHINode &PN) {
939     if (PN.use_empty())
940       return markAsDead(PN);
941
942     insertPHIOrSelect(PN, Offset);
943   }
944   void visitSelectInst(SelectInst &SI) {
945     if (SI.use_empty())
946       return markAsDead(SI);
947
948     if (Value *Result = foldSelectInst(SI)) {
949       if (Result == *U)
950         // If the result of the constant fold will be the pointer, recurse
951         // through the select as if we had RAUW'ed it.
952         enqueueUsers(SI, Offset);
953       else
954         // Otherwise the operand to the select is dead, and we can replace it
955         // with undef.
956         P.DeadOperands.push_back(U);
957
958       return;
959     }
960
961     insertPHIOrSelect(SI, Offset);
962   }
963
964   /// \brief Unreachable, we've already visited the alloca once.
965   void visitInstruction(Instruction &I) {
966     llvm_unreachable("Unhandled instruction in use builder.");
967   }
968 };
969
970 void AllocaPartitioning::splitAndMergePartitions() {
971   size_t NumDeadPartitions = 0;
972
973   // Track the range of splittable partitions that we pass when accumulating
974   // overlapping unsplittable partitions.
975   uint64_t SplitEndOffset = 0ull;
976
977   Partition New(0ull, 0ull, false);
978
979   for (unsigned i = 0, j = i, e = Partitions.size(); i != e; i = j) {
980     ++j;
981
982     if (!Partitions[i].IsSplittable || New.BeginOffset == New.EndOffset) {
983       assert(New.BeginOffset == New.EndOffset);
984       New = Partitions[i];
985     } else {
986       assert(New.IsSplittable);
987       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[i].EndOffset);
988     }
989     assert(New.BeginOffset != New.EndOffset);
990
991     // Scan the overlapping partitions.
992     while (j != e && New.EndOffset > Partitions[j].BeginOffset) {
993       // If the new partition we are forming is splittable, stop at the first
994       // unsplittable partition.
995       if (New.IsSplittable && !Partitions[j].IsSplittable)
996         break;
997
998       // Grow the new partition to include any equally splittable range. 'j' is
999       // always equally splittable when New is splittable, but when New is not
1000       // splittable, we may subsume some (or part of some) splitable partition
1001       // without growing the new one.
1002       if (New.IsSplittable == Partitions[j].IsSplittable) {
1003         New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, Partitions[j].EndOffset);
1004       } else {
1005         assert(!New.IsSplittable);
1006         assert(Partitions[j].IsSplittable);
1007         SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, Partitions[j].EndOffset);
1008       }
1009
1010       Partitions[j].BeginOffset = Partitions[j].EndOffset = UINT64_MAX;
1011       ++NumDeadPartitions;
1012       ++j;
1013     }
1014
1015     // If the new partition is splittable, chop off the end as soon as the
1016     // unsplittable subsequent partition starts and ensure we eventually cover
1017     // the splittable area.
1018     if (j != e && New.IsSplittable) {
1019       SplitEndOffset = std::max(SplitEndOffset, New.EndOffset);
1020       New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
1021     }
1022
1023     // Add the new partition if it differs from the original one and is
1024     // non-empty. We can end up with an empty partition here if it was
1025     // splittable but there is an unsplittable one that starts at the same
1026     // offset.
1027     if (New != Partitions[i]) {
1028       if (New.BeginOffset != New.EndOffset)
1029         Partitions.push_back(New);
1030       // Mark the old one for removal.
1031       Partitions[i].BeginOffset = Partitions[i].EndOffset = UINT64_MAX;
1032       ++NumDeadPartitions;
1033     }
1034
1035     New.BeginOffset = New.EndOffset;
1036     if (!New.IsSplittable) {
1037       New.EndOffset = std::max(New.EndOffset, SplitEndOffset);
1038       if (j != e && !Partitions[j].IsSplittable)
1039         New.EndOffset = std::min(New.EndOffset, Partitions[j].BeginOffset);
1040       New.IsSplittable = true;
1041       // If there is a trailing splittable partition which won't be fused into
1042       // the next splittable partition go ahead and add it onto the partitions
1043       // list.
1044       if (New.BeginOffset < New.EndOffset &&
1045           (j == e || !Partitions[j].IsSplittable ||
1046            New.EndOffset < Partitions[j].BeginOffset)) {
1047         Partitions.push_back(New);
1048         New.BeginOffset = New.EndOffset = 0ull;
1049       }
1050     }
1051   }
1052
1053   // Re-sort the partitions now that they have been split and merged into
1054   // disjoint set of partitions. Also remove any of the dead partitions we've
1055   // replaced in the process.
1056   std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1057   if (NumDeadPartitions) {
1058     assert(Partitions.back().BeginOffset == UINT64_MAX);
1059     assert(Partitions.back().EndOffset == UINT64_MAX);
1060     assert((ptrdiff_t)NumDeadPartitions ==
1061            std::count(Partitions.begin(), Partitions.end(), Partitions.back()));
1062   }
1063   Partitions.erase(Partitions.end() - NumDeadPartitions, Partitions.end());
1064 }
1065
1066 AllocaPartitioning::AllocaPartitioning(const TargetData &TD, AllocaInst &AI)
1067     :
1068 #ifndef NDEBUG
1069       AI(AI),
1070 #endif
1071       PointerEscapingInstr(0) {
1072   PartitionBuilder PB(TD, AI, *this);
1073   if (!PB())
1074     return;
1075
1076   if (Partitions.size() > 1) {
1077     // Sort the uses. This arranges for the offsets to be in ascending order,
1078     // and the sizes to be in descending order.
1079     std::sort(Partitions.begin(), Partitions.end());
1080
1081     // Intersect splittability for all partitions with equal offsets and sizes.
1082     // Then remove all but the first so that we have a sequence of non-equal but
1083     // potentially overlapping partitions.
1084     for (iterator I = Partitions.begin(), J = I, E = Partitions.end(); I != E;
1085          I = J) {
1086       ++J;
1087       while (J != E && *I == *J) {
1088         I->IsSplittable &= J->IsSplittable;
1089         ++J;
1090       }
1091     }
1092     Partitions.erase(std::unique(Partitions.begin(), Partitions.end()),
1093                      Partitions.end());
1094
1095     // Split splittable and merge unsplittable partitions into a disjoint set
1096     // of partitions over the used space of the allocation.
1097     splitAndMergePartitions();
1098   }
1099
1100   // Now build up the user lists for each of these disjoint partitions by
1101   // re-walking the recursive users of the alloca.
1102   Uses.resize(Partitions.size());
1103   UseBuilder UB(TD, AI, *this);
1104   UB();
1105 }
1106
1107 Type *AllocaPartitioning::getCommonType(iterator I) const {
1108   Type *Ty = 0;
1109   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I); UI != UE; ++UI) {
1110     if (isa<IntrinsicInst>(*UI->User))
1111       continue;
1112     if (UI->BeginOffset != I->BeginOffset || UI->EndOffset != I->EndOffset)
1113       continue;
1114
1115     Type *UserTy = 0;
1116     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*UI->User)) {
1117       UserTy = LI->getType();
1118     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*UI->User)) {
1119       UserTy = SI->getValueOperand()->getType();
1120     } else if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(&*UI->User)) {
1121       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(SI->getType()))
1122         UserTy = PtrTy->getElementType();
1123     } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&*UI->User)) {
1124       if (PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(PN->getType()))
1125         UserTy = PtrTy->getElementType();
1126     }
1127
1128     if (Ty && Ty != UserTy)
1129       return 0;
1130
1131     Ty = UserTy;
1132   }
1133   return Ty;
1134 }
1135
1136 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1137
1138 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1139                                StringRef Indent) const {
1140   OS << Indent << "partition #" << (I - begin())
1141      << " [" << I->BeginOffset << "," << I->EndOffset << ")"
1142      << (I->IsSplittable ? " (splittable)" : "")
1143      << (Uses[I - begin()].empty() ? " (zero uses)" : "")
1144      << "\n";
1145 }
1146
1147 void AllocaPartitioning::printUsers(raw_ostream &OS, const_iterator I,
1148                                     StringRef Indent) const {
1149   for (const_use_iterator UI = use_begin(I), UE = use_end(I);
1150        UI != UE; ++UI) {
1151     OS << Indent << "  [" << UI->BeginOffset << "," << UI->EndOffset << ") "
1152        << "used by: " << *UI->User << "\n";
1153     if (MemTransferInst *II = dyn_cast<MemTransferInst>(&*UI->User)) {
1154       const MemTransferOffsets &MTO = MemTransferInstData.lookup(II);
1155       bool IsDest;
1156       if (!MTO.IsSplittable)
1157         IsDest = UI->BeginOffset == MTO.DestBegin;
1158       else
1159         IsDest = MTO.DestBegin != 0u;
1160       OS << Indent << "    (original " << (IsDest ? "dest" : "source") << ": "
1161          << "[" << (IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin)
1162          << "," << (IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd) << ")\n";
1163     }
1164   }
1165 }
1166
1167 void AllocaPartitioning::print(raw_ostream &OS) const {
1168   if (PointerEscapingInstr) {
1169     OS << "No partitioning for alloca: " << AI << "\n"
1170        << "  A pointer to this alloca escaped by:\n"
1171        << "  " << *PointerEscapingInstr << "\n";
1172     return;
1173   }
1174
1175   OS << "Partitioning of alloca: " << AI << "\n";
1176   unsigned Num = 0;
1177   for (const_iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I, ++Num) {
1178     print(OS, I);
1179     printUsers(OS, I);
1180   }
1181 }
1182
1183 void AllocaPartitioning::dump(const_iterator I) const { print(dbgs(), I); }
1184 void AllocaPartitioning::dump() const { print(dbgs()); }
1185
1186 #endif // !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
1187
1188
1189 namespace {
1190 /// \brief Implementation of LoadAndStorePromoter for promoting allocas.
1191 ///
1192 /// This subclass of LoadAndStorePromoter adds overrides to handle promoting
1193 /// the loads and stores of an alloca instruction, as well as updating its
1194 /// debug information. This is used when a domtree is unavailable and thus
1195 /// mem2reg in its full form can't be used to handle promotion of allocas to
1196 /// scalar values.
1197 class AllocaPromoter : public LoadAndStorePromoter {
1198   AllocaInst &AI;
1199   DIBuilder &DIB;
1200
1201   SmallVector<DbgDeclareInst *, 4> DDIs;
1202   SmallVector<DbgValueInst *, 4> DVIs;
1203
1204 public:
1205   AllocaPromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts, SSAUpdater &S,
1206                  AllocaInst &AI, DIBuilder &DIB)
1207     : LoadAndStorePromoter(Insts, S), AI(AI), DIB(DIB) {}
1208
1209   void run(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) {
1210     // Remember which alloca we're promoting (for isInstInList).
1211     if (MDNode *DebugNode = MDNode::getIfExists(AI.getContext(), &AI)) {
1212       for (Value::use_iterator UI = DebugNode->use_begin(),
1213                                UE = DebugNode->use_end();
1214            UI != UE; ++UI)
1215         if (DbgDeclareInst *DDI = dyn_cast<DbgDeclareInst>(*UI))
1216           DDIs.push_back(DDI);
1217         else if (DbgValueInst *DVI = dyn_cast<DbgValueInst>(*UI))
1218           DVIs.push_back(DVI);
1219     }
1220
1221     LoadAndStorePromoter::run(Insts);
1222     AI.eraseFromParent();
1223     while (!DDIs.empty())
1224       DDIs.pop_back_val()->eraseFromParent();
1225     while (!DVIs.empty())
1226       DVIs.pop_back_val()->eraseFromParent();
1227   }
1228
1229   virtual bool isInstInList(Instruction *I,
1230                             const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const {
1231     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
1232       return LI->getOperand(0) == &AI;
1233     return cast<StoreInst>(I)->getPointerOperand() == &AI;
1234   }
1235
1236   virtual void updateDebugInfo(Instruction *Inst) const {
1237     for (SmallVector<DbgDeclareInst *, 4>::const_iterator I = DDIs.begin(),
1238            E = DDIs.end(); I != E; ++I) {
1239       DbgDeclareInst *DDI = *I;
1240       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
1241         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1242       else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
1243         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, LI, DIB);
1244     }
1245     for (SmallVector<DbgValueInst *, 4>::const_iterator I = DVIs.begin(),
1246            E = DVIs.end(); I != E; ++I) {
1247       DbgValueInst *DVI = *I;
1248       Value *Arg = NULL;
1249       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
1250         // If an argument is zero extended then use argument directly. The ZExt
1251         // may be zapped by an optimization pass in future.
1252         if (ZExtInst *ZExt = dyn_cast<ZExtInst>(SI->getOperand(0)))
1253           Arg = dyn_cast<Argument>(ZExt->getOperand(0));
1254         if (SExtInst *SExt = dyn_cast<SExtInst>(SI->getOperand(0)))
1255           Arg = dyn_cast<Argument>(SExt->getOperand(0));
1256         if (!Arg)
1257           Arg = SI->getOperand(0);
1258       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
1259         Arg = LI->getOperand(0);
1260       } else {
1261         continue;
1262       }
1263       Instruction *DbgVal =
1264         DIB.insertDbgValueIntrinsic(Arg, 0, DIVariable(DVI->getVariable()),
1265                                      Inst);
1266       DbgVal->setDebugLoc(DVI->getDebugLoc());
1267     }
1268   }
1269 };
1270 } // end anon namespace
1271
1272
1273 namespace {
1274 /// \brief An optimization pass providing Scalar Replacement of Aggregates.
1275 ///
1276 /// This pass takes allocations which can be completely analyzed (that is, they
1277 /// don't escape) and tries to turn them into scalar SSA values. There are
1278 /// a few steps to this process.
1279 ///
1280 /// 1) It takes allocations of aggregates and analyzes the ways in which they
1281 ///    are used to try to split them into smaller allocations, ideally of
1282 ///    a single scalar data type. It will split up memcpy and memset accesses
1283 ///    as necessary and try to isolate invidual scalar accesses.
1284 /// 2) It will transform accesses into forms which are suitable for SSA value
1285 ///    promotion. This can be replacing a memset with a scalar store of an
1286 ///    integer value, or it can involve speculating operations on a PHI or
1287 ///    select to be a PHI or select of the results.
1288 /// 3) Finally, this will try to detect a pattern of accesses which map cleanly
1289 ///    onto insert and extract operations on a vector value, and convert them to
1290 ///    this form. By doing so, it will enable promotion of vector aggregates to
1291 ///    SSA vector values.
1292 class SROA : public FunctionPass {
1293   const bool RequiresDomTree;
1294
1295   LLVMContext *C;
1296   const TargetData *TD;
1297   DominatorTree *DT;
1298
1299   /// \brief Worklist of alloca instructions to simplify.
1300   ///
1301   /// Each alloca in the function is added to this. Each new alloca formed gets
1302   /// added to it as well to recursively simplify unless that alloca can be
1303   /// directly promoted. Finally, each time we rewrite a use of an alloca other
1304   /// the one being actively rewritten, we add it back onto the list if not
1305   /// already present to ensure it is re-visited.
1306   SetVector<AllocaInst *, SmallVector<AllocaInst *, 16> > Worklist;
1307
1308   /// \brief A collection of instructions to delete.
1309   /// We try to batch deletions to simplify code and make things a bit more
1310   /// efficient.
1311   SmallVector<Instruction *, 8> DeadInsts;
1312
1313   /// \brief A set to prevent repeatedly marking an instruction split into many
1314   /// uses as dead. Only used to guard insertion into DeadInsts.
1315   SmallPtrSet<Instruction *, 4> DeadSplitInsts;
1316
1317   /// \brief A collection of alloca instructions we can directly promote.
1318   std::vector<AllocaInst *> PromotableAllocas;
1319
1320 public:
1321   SROA(bool RequiresDomTree = true)
1322       : FunctionPass(ID), RequiresDomTree(RequiresDomTree),
1323         C(0), TD(0), DT(0) {
1324     initializeSROAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1325   }
1326   bool runOnFunction(Function &F);
1327   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
1328
1329   const char *getPassName() const { return "SROA"; }
1330   static char ID;
1331
1332 private:
1333   friend class AllocaPartitionRewriter;
1334   friend class AllocaPartitionVectorRewriter;
1335
1336   bool rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
1337                               AllocaPartitioning &P,
1338                               AllocaPartitioning::iterator PI);
1339   bool splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P);
1340   bool runOnAlloca(AllocaInst &AI);
1341   void deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> &DeletedAllocas);
1342   bool promoteAllocas(Function &F);
1343 };
1344 }
1345
1346 char SROA::ID = 0;
1347
1348 FunctionPass *llvm::createSROAPass(bool RequiresDomTree) {
1349   return new SROA(RequiresDomTree);
1350 }
1351
1352 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1353                       false, false)
1354 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
1355 INITIALIZE_PASS_END(SROA, "sroa", "Scalar Replacement Of Aggregates",
1356                     false, false)
1357
1358 /// \brief Accumulate the constant offsets in a GEP into a single APInt offset.
1359 ///
1360 /// If the provided GEP is all-constant, the total byte offset formed by the
1361 /// GEP is computed and Offset is set to it. If the GEP has any non-constant
1362 /// operands, the function returns false and the value of Offset is unmodified.
1363 static bool accumulateGEPOffsets(const TargetData &TD, GEPOperator &GEP,
1364                                  APInt &Offset) {
1365   APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1366   for (gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP), GTE = gep_type_end(GEP);
1367        GTI != GTE; ++GTI) {
1368     ConstantInt *OpC = dyn_cast<ConstantInt>(GTI.getOperand());
1369     if (!OpC)
1370       return false;
1371     if (OpC->isZero()) continue;
1372
1373     // Handle a struct index, which adds its field offset to the pointer.
1374     if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
1375       unsigned ElementIdx = OpC->getZExtValue();
1376       const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1377       GEPOffset += APInt(Offset.getBitWidth(),
1378                          SL->getElementOffset(ElementIdx));
1379       continue;
1380     }
1381
1382     APInt TypeSize(Offset.getBitWidth(),
1383                    TD.getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
1384     if (VectorType *VTy = dyn_cast<VectorType>(*GTI)) {
1385       assert((VTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1386              "vector element size is not a multiple of 8, cannot GEP over it");
1387       TypeSize = VTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1388     }
1389
1390     GEPOffset += OpC->getValue().sextOrTrunc(Offset.getBitWidth()) * TypeSize;
1391   }
1392   Offset = GEPOffset;
1393   return true;
1394 }
1395
1396 /// \brief Build a GEP out of a base pointer and indices.
1397 ///
1398 /// This will return the BasePtr if that is valid, or build a new GEP
1399 /// instruction using the IRBuilder if GEP-ing is needed.
1400 static Value *buildGEP(IRBuilder<> &IRB, Value *BasePtr,
1401                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1402                        const Twine &Prefix) {
1403   if (Indices.empty())
1404     return BasePtr;
1405
1406   // A single zero index is a no-op, so check for this and avoid building a GEP
1407   // in that case.
1408   if (Indices.size() == 1 && cast<ConstantInt>(Indices.back())->isZero())
1409     return BasePtr;
1410
1411   return IRB.CreateInBoundsGEP(BasePtr, Indices, Prefix + ".idx");
1412 }
1413
1414 /// \brief Get a natural GEP off of the BasePtr walking through Ty toward
1415 /// TargetTy without changing the offset of the pointer.
1416 ///
1417 /// This routine assumes we've already established a properly offset GEP with
1418 /// Indices, and arrived at the Ty type. The goal is to continue to GEP with
1419 /// zero-indices down through type layers until we find one the same as
1420 /// TargetTy. If we can't find one with the same type, we at least try to use
1421 /// one with the same size. If none of that works, we just produce the GEP as
1422 /// indicated by Indices to have the correct offset.
1423 static Value *getNaturalGEPWithType(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1424                                     Value *BasePtr, Type *Ty, Type *TargetTy,
1425                                     SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1426                                     const Twine &Prefix) {
1427   if (Ty == TargetTy)
1428     return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1429
1430   // See if we can descend into a struct and locate a field with the correct
1431   // type.
1432   unsigned NumLayers = 0;
1433   Type *ElementTy = Ty;
1434   do {
1435     if (ElementTy->isPointerTy())
1436       break;
1437     if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(ElementTy)) {
1438       ElementTy = SeqTy->getElementType();
1439       Indices.push_back(IRB.getInt(APInt(TD.getPointerSizeInBits(), 0)));
1440     } else if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(ElementTy)) {
1441       ElementTy = *STy->element_begin();
1442       Indices.push_back(IRB.getInt32(0));
1443     } else {
1444       break;
1445     }
1446     ++NumLayers;
1447   } while (ElementTy != TargetTy);
1448   if (ElementTy != TargetTy)
1449     Indices.erase(Indices.end() - NumLayers, Indices.end());
1450
1451   return buildGEP(IRB, BasePtr, Indices, Prefix);
1452 }
1453
1454 /// \brief Recursively compute indices for a natural GEP.
1455 ///
1456 /// This is the recursive step for getNaturalGEPWithOffset that walks down the
1457 /// element types adding appropriate indices for the GEP.
1458 static Value *getNaturalGEPRecursively(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1459                                        Value *Ptr, Type *Ty, APInt &Offset,
1460                                        Type *TargetTy,
1461                                        SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1462                                        const Twine &Prefix) {
1463   if (Offset == 0)
1464     return getNaturalGEPWithType(IRB, TD, Ptr, Ty, TargetTy, Indices, Prefix);
1465
1466   // We can't recurse through pointer types.
1467   if (Ty->isPointerTy())
1468     return 0;
1469
1470   // We try to analyze GEPs over vectors here, but note that these GEPs are
1471   // extremely poorly defined currently. The long-term goal is to remove GEPing
1472   // over a vector from the IR completely.
1473   if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(Ty)) {
1474     unsigned ElementSizeInBits = VecTy->getScalarSizeInBits();
1475     if (ElementSizeInBits % 8)
1476       return 0; // GEPs over non-multiple of 8 size vector elements are invalid.
1477     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), ElementSizeInBits / 8);
1478     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1479     if (NumSkippedElements.ugt(VecTy->getNumElements()))
1480       return 0;
1481     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1482     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1483     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, VecTy->getElementType(),
1484                                     Offset, TargetTy, Indices, Prefix);
1485   }
1486
1487   if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
1488     Type *ElementTy = ArrTy->getElementType();
1489     APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1490     APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1491     if (NumSkippedElements.ugt(ArrTy->getNumElements()))
1492       return 0;
1493
1494     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1495     Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1496     return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1497                                     Indices, Prefix);
1498   }
1499
1500   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
1501   if (!STy)
1502     return 0;
1503
1504   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
1505   uint64_t StructOffset = Offset.getZExtValue();
1506   if (StructOffset >= SL->getSizeInBytes())
1507     return 0;
1508   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(StructOffset);
1509   Offset -= APInt(Offset.getBitWidth(), SL->getElementOffset(Index));
1510   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
1511   if (Offset.uge(TD.getTypeAllocSize(ElementTy)))
1512     return 0; // The offset points into alignment padding.
1513
1514   Indices.push_back(IRB.getInt32(Index));
1515   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1516                                   Indices, Prefix);
1517 }
1518
1519 /// \brief Get a natural GEP from a base pointer to a particular offset and
1520 /// resulting in a particular type.
1521 ///
1522 /// The goal is to produce a "natural" looking GEP that works with the existing
1523 /// composite types to arrive at the appropriate offset and element type for
1524 /// a pointer. TargetTy is the element type the returned GEP should point-to if
1525 /// possible. We recurse by decreasing Offset, adding the appropriate index to
1526 /// Indices, and setting Ty to the result subtype.
1527 ///
1528 /// If no natural GEP can be constructed, this function returns null.
1529 static Value *getNaturalGEPWithOffset(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1530                                       Value *Ptr, APInt Offset, Type *TargetTy,
1531                                       SmallVectorImpl<Value *> &Indices,
1532                                       const Twine &Prefix) {
1533   PointerType *Ty = cast<PointerType>(Ptr->getType());
1534
1535   // Don't consider any GEPs through an i8* as natural unless the TargetTy is
1536   // an i8.
1537   if (Ty == IRB.getInt8PtrTy() && TargetTy->isIntegerTy(8))
1538     return 0;
1539
1540   Type *ElementTy = Ty->getElementType();
1541   if (!ElementTy->isSized())
1542     return 0; // We can't GEP through an unsized element.
1543   APInt ElementSize(Offset.getBitWidth(), TD.getTypeAllocSize(ElementTy));
1544   if (ElementSize == 0)
1545     return 0; // Zero-length arrays can't help us build a natural GEP.
1546   APInt NumSkippedElements = Offset.udiv(ElementSize);
1547
1548   Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
1549   Indices.push_back(IRB.getInt(NumSkippedElements));
1550   return getNaturalGEPRecursively(IRB, TD, Ptr, ElementTy, Offset, TargetTy,
1551                                   Indices, Prefix);
1552 }
1553
1554 /// \brief Compute an adjusted pointer from Ptr by Offset bytes where the
1555 /// resulting pointer has PointerTy.
1556 ///
1557 /// This tries very hard to compute a "natural" GEP which arrives at the offset
1558 /// and produces the pointer type desired. Where it cannot, it will try to use
1559 /// the natural GEP to arrive at the offset and bitcast to the type. Where that
1560 /// fails, it will try to use an existing i8* and GEP to the byte offset and
1561 /// bitcast to the type.
1562 ///
1563 /// The strategy for finding the more natural GEPs is to peel off layers of the
1564 /// pointer, walking back through bit casts and GEPs, searching for a base
1565 /// pointer from which we can compute a natural GEP with the desired
1566 /// properities. The algorithm tries to fold as many constant indices into
1567 /// a single GEP as possible, thus making each GEP more independent of the
1568 /// surrounding code.
1569 static Value *getAdjustedPtr(IRBuilder<> &IRB, const TargetData &TD,
1570                              Value *Ptr, APInt Offset, Type *PointerTy,
1571                              const Twine &Prefix) {
1572   // Even though we don't look through PHI nodes, we could be called on an
1573   // instruction in an unreachable block, which may be on a cycle.
1574   SmallPtrSet<Value *, 4> Visited;
1575   Visited.insert(Ptr);
1576   SmallVector<Value *, 4> Indices;
1577
1578   // We may end up computing an offset pointer that has the wrong type. If we
1579   // never are able to compute one directly that has the correct type, we'll
1580   // fall back to it, so keep it around here.
1581   Value *OffsetPtr = 0;
1582
1583   // Remember any i8 pointer we come across to re-use if we need to do a raw
1584   // byte offset.
1585   Value *Int8Ptr = 0;
1586   APInt Int8PtrOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1587
1588   Type *TargetTy = PointerTy->getPointerElementType();
1589
1590   do {
1591     // First fold any existing GEPs into the offset.
1592     while (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(Ptr)) {
1593       APInt GEPOffset(Offset.getBitWidth(), 0);
1594       if (!accumulateGEPOffsets(TD, *GEP, GEPOffset))
1595         break;
1596       Offset += GEPOffset;
1597       Ptr = GEP->getPointerOperand();
1598       if (!Visited.insert(Ptr))
1599         break;
1600     }
1601
1602     // See if we can perform a natural GEP here.
1603     Indices.clear();
1604     if (Value *P = getNaturalGEPWithOffset(IRB, TD, Ptr, Offset, TargetTy,
1605                                            Indices, Prefix)) {
1606       if (P->getType() == PointerTy) {
1607         // Zap any offset pointer that we ended up computing in previous rounds.
1608         if (OffsetPtr && OffsetPtr->use_empty())
1609           if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(OffsetPtr))
1610             I->eraseFromParent();
1611         return P;
1612       }
1613       if (!OffsetPtr) {
1614         OffsetPtr = P;
1615       }
1616     }
1617
1618     // Stash this pointer if we've found an i8*.
1619     if (Ptr->getType()->isIntegerTy(8)) {
1620       Int8Ptr = Ptr;
1621       Int8PtrOffset = Offset;
1622     }
1623
1624     // Peel off a layer of the pointer and update the offset appropriately.
1625     if (Operator::getOpcode(Ptr) == Instruction::BitCast) {
1626       Ptr = cast<Operator>(Ptr)->getOperand(0);
1627     } else if (GlobalAlias *GA = dyn_cast<GlobalAlias>(Ptr)) {
1628       if (GA->mayBeOverridden())
1629         break;
1630       Ptr = GA->getAliasee();
1631     } else {
1632       break;
1633     }
1634     assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected operand type!");
1635   } while (Visited.insert(Ptr));
1636
1637   if (!OffsetPtr) {
1638     if (!Int8Ptr) {
1639       Int8Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, IRB.getInt8PtrTy(),
1640                                   Prefix + ".raw_cast");
1641       Int8PtrOffset = Offset;
1642     }
1643
1644     OffsetPtr = Int8PtrOffset == 0 ? Int8Ptr :
1645       IRB.CreateInBoundsGEP(Int8Ptr, IRB.getInt(Int8PtrOffset),
1646                             Prefix + ".raw_idx");
1647   }
1648   Ptr = OffsetPtr;
1649
1650   // On the off chance we were targeting i8*, guard the bitcast here.
1651   if (Ptr->getType() != PointerTy)
1652     Ptr = IRB.CreateBitCast(Ptr, PointerTy, Prefix + ".cast");
1653
1654   return Ptr;
1655 }
1656
1657 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to a vector.
1658 ///
1659 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1660 /// partition (and its newly formed alloca) into a vector alloca with only
1661 /// whole-vector loads and stores such that it could be promoted to a vector
1662 /// SSA value. We only can ensure this for a limited set of operations, and we
1663 /// don't want to do the rewrites unless we are confident that the result will
1664 /// be promotable, so we have an early test here.
1665 static bool isVectorPromotionViable(const TargetData &TD,
1666                                     Type *AllocaTy,
1667                                     AllocaPartitioning &P,
1668                                     uint64_t PartitionBeginOffset,
1669                                     uint64_t PartitionEndOffset,
1670                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1671                                     AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1672   VectorType *Ty = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy);
1673   if (!Ty)
1674     return false;
1675
1676   uint64_t VecSize = TD.getTypeSizeInBits(Ty);
1677   uint64_t ElementSize = Ty->getScalarSizeInBits();
1678
1679   // While the definition of LLVM vectors is bitpacked, we don't support sizes
1680   // that aren't byte sized.
1681   if (ElementSize % 8)
1682     return false;
1683   assert((VecSize % 8) == 0 && "vector size not a multiple of element size?");
1684   VecSize /= 8;
1685   ElementSize /= 8;
1686
1687   for (; I != E; ++I) {
1688     uint64_t BeginOffset = I->BeginOffset - PartitionBeginOffset;
1689     uint64_t BeginIndex = BeginOffset / ElementSize;
1690     if (BeginIndex * ElementSize != BeginOffset ||
1691         BeginIndex >= Ty->getNumElements())
1692       return false;
1693     uint64_t EndOffset = I->EndOffset - PartitionBeginOffset;
1694     uint64_t EndIndex = EndOffset / ElementSize;
1695     if (EndIndex * ElementSize != EndOffset ||
1696         EndIndex > Ty->getNumElements())
1697       return false;
1698
1699     // FIXME: We should build shuffle vector instructions to handle
1700     // non-element-sized accesses.
1701     if ((EndOffset - BeginOffset) != ElementSize &&
1702         (EndOffset - BeginOffset) != VecSize)
1703       return false;
1704
1705     if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1706       if (MI->isVolatile())
1707         return false;
1708       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1709         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1710           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1711         if (!MTO.IsSplittable)
1712           return false;
1713       }
1714     } else if (I->Ptr->getType()->getPointerElementType()->isStructTy()) {
1715       // Disable vector promotion when there are loads or stores of an FCA.
1716       return false;
1717     } else if (!isa<LoadInst>(*I->User) && !isa<StoreInst>(*I->User)) {
1718       return false;
1719     }
1720   }
1721   return true;
1722 }
1723
1724 /// \brief Test whether the given alloca partition can be promoted to an int.
1725 ///
1726 /// This is a quick test to check whether we can rewrite a particular alloca
1727 /// partition (and its newly formed alloca) into an integer alloca suitable for
1728 /// promotion to an SSA value. We only can ensure this for a limited set of
1729 /// operations, and we don't want to do the rewrites unless we are confident
1730 /// that the result will be promotable, so we have an early test here.
1731 static bool isIntegerPromotionViable(const TargetData &TD,
1732                                      Type *AllocaTy,
1733                                      AllocaPartitioning &P,
1734                                      AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1735                                      AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1736   IntegerType *Ty = dyn_cast<IntegerType>(AllocaTy);
1737   if (!Ty)
1738     return false;
1739
1740   // Check the uses to ensure the uses are (likely) promoteable integer uses.
1741   // Also ensure that the alloca has a covering load or store. We don't want
1742   // promote because of some other unsplittable entry (which we may make
1743   // splittable later) and lose the ability to promote each element access.
1744   bool WholeAllocaOp = false;
1745   for (; I != E; ++I) {
1746     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*I->User)) {
1747       if (LI->isVolatile() || !LI->getType()->isIntegerTy())
1748         return false;
1749       if (LI->getType() == Ty)
1750         WholeAllocaOp = true;
1751     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*I->User)) {
1752       if (SI->isVolatile() || !SI->getValueOperand()->getType()->isIntegerTy())
1753         return false;
1754       if (SI->getValueOperand()->getType() == Ty)
1755         WholeAllocaOp = true;
1756     } else if (MemIntrinsic *MI = dyn_cast<MemIntrinsic>(&*I->User)) {
1757       if (MI->isVolatile())
1758         return false;
1759       if (MemTransferInst *MTI = dyn_cast<MemTransferInst>(&*I->User)) {
1760         const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
1761           = P.getMemTransferOffsets(*MTI);
1762         if (!MTO.IsSplittable)
1763           return false;
1764       }
1765     } else {
1766       return false;
1767     }
1768   }
1769   return WholeAllocaOp;
1770 }
1771
1772 namespace {
1773 /// \brief Visitor to rewrite instructions using a partition of an alloca to
1774 /// use a new alloca.
1775 ///
1776 /// Also implements the rewriting to vector-based accesses when the partition
1777 /// passes the isVectorPromotionViable predicate. Most of the rewriting logic
1778 /// lives here.
1779 class AllocaPartitionRewriter : public InstVisitor<AllocaPartitionRewriter,
1780                                                    bool> {
1781   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
1782   friend class llvm::InstVisitor<AllocaPartitionRewriter, bool>;
1783
1784   const TargetData &TD;
1785   AllocaPartitioning &P;
1786   SROA &Pass;
1787   AllocaInst &OldAI, &NewAI;
1788   const uint64_t NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset;
1789
1790   // If we are rewriting an alloca partition which can be written as pure
1791   // vector operations, we stash extra information here. When VecTy is
1792   // non-null, we have some strict guarantees about the rewriten alloca:
1793   //   - The new alloca is exactly the size of the vector type here.
1794   //   - The accesses all either map to the entire vector or to a single
1795   //     element.
1796   //   - The set of accessing instructions is only one of those handled above
1797   //     in isVectorPromotionViable. Generally these are the same access kinds
1798   //     which are promotable via mem2reg.
1799   VectorType *VecTy;
1800   Type *ElementTy;
1801   uint64_t ElementSize;
1802
1803   // This is a convenience and flag variable that will be null unless the new
1804   // alloca has a promotion-targeted integer type due to passing
1805   // isIntegerPromotionViable above. If it is non-null does, the desired
1806   // integer type will be stored here for easy access during rewriting.
1807   IntegerType *IntPromotionTy;
1808
1809   // The offset of the partition user currently being rewritten.
1810   uint64_t BeginOffset, EndOffset;
1811   Instruction *OldPtr;
1812
1813   // The name prefix to use when rewriting instructions for this alloca.
1814   std::string NamePrefix;
1815
1816 public:
1817   AllocaPartitionRewriter(const TargetData &TD, AllocaPartitioning &P,
1818                           AllocaPartitioning::iterator PI,
1819                           SROA &Pass, AllocaInst &OldAI, AllocaInst &NewAI,
1820                           uint64_t NewBeginOffset, uint64_t NewEndOffset)
1821     : TD(TD), P(P), Pass(Pass),
1822       OldAI(OldAI), NewAI(NewAI),
1823       NewAllocaBeginOffset(NewBeginOffset),
1824       NewAllocaEndOffset(NewEndOffset),
1825       VecTy(), ElementTy(), ElementSize(), IntPromotionTy(),
1826       BeginOffset(), EndOffset() {
1827   }
1828
1829   /// \brief Visit the users of the alloca partition and rewrite them.
1830   bool visitUsers(AllocaPartitioning::const_use_iterator I,
1831                   AllocaPartitioning::const_use_iterator E) {
1832     if (isVectorPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(), P,
1833                                 NewAllocaBeginOffset, NewAllocaEndOffset,
1834                                 I, E)) {
1835       ++NumVectorized;
1836       VecTy = cast<VectorType>(NewAI.getAllocatedType());
1837       ElementTy = VecTy->getElementType();
1838       assert((VecTy->getScalarSizeInBits() % 8) == 0 &&
1839              "Only multiple-of-8 sized vector elements are viable");
1840       ElementSize = VecTy->getScalarSizeInBits() / 8;
1841     } else if (isIntegerPromotionViable(TD, NewAI.getAllocatedType(),
1842                                         P, I, E)) {
1843       IntPromotionTy = cast<IntegerType>(NewAI.getAllocatedType());
1844     }
1845     bool CanSROA = true;
1846     for (; I != E; ++I) {
1847       BeginOffset = I->BeginOffset;
1848       EndOffset = I->EndOffset;
1849       OldPtr = I->Ptr;
1850       NamePrefix = (Twine(NewAI.getName()) + "." + Twine(BeginOffset)).str();
1851       CanSROA &= visit(I->User);
1852     }
1853     if (VecTy) {
1854       assert(CanSROA);
1855       VecTy = 0;
1856       ElementTy = 0;
1857       ElementSize = 0;
1858     }
1859     return CanSROA;
1860   }
1861
1862 private:
1863   // Every instruction which can end up as a user must have a rewrite rule.
1864   bool visitInstruction(Instruction &I) {
1865     DEBUG(dbgs() << "    !!!! Cannot rewrite: " << I << "\n");
1866     llvm_unreachable("No rewrite rule for this instruction!");
1867   }
1868
1869   Twine getName(const Twine &Suffix) {
1870     return NamePrefix + Suffix;
1871   }
1872
1873   Value *getAdjustedAllocaPtr(IRBuilder<> &IRB, Type *PointerTy) {
1874     assert(BeginOffset >= NewAllocaBeginOffset);
1875     APInt Offset(TD.getPointerSizeInBits(), BeginOffset - NewAllocaBeginOffset);
1876     return getAdjustedPtr(IRB, TD, &NewAI, Offset, PointerTy, getName(""));
1877   }
1878
1879   ConstantInt *getIndex(IRBuilder<> &IRB, uint64_t Offset) {
1880     assert(VecTy && "Can only call getIndex when rewriting a vector");
1881     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1882     assert(RelOffset / ElementSize < UINT32_MAX && "Index out of bounds");
1883     uint32_t Index = RelOffset / ElementSize;
1884     assert(Index * ElementSize == RelOffset);
1885     return IRB.getInt32(Index);
1886   }
1887
1888   Value *extractInteger(IRBuilder<> &IRB, IntegerType *TargetTy,
1889                         uint64_t Offset) {
1890     assert(IntPromotionTy && "Alloca is not an integer we can extract from");
1891     Value *V = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1892     assert(Offset >= NewAllocaBeginOffset && "Out of bounds offset");
1893     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1894     if (RelOffset)
1895       V = IRB.CreateLShr(V, RelOffset*8, getName(".shift"));
1896     if (TargetTy != IntPromotionTy) {
1897       assert(TargetTy->getBitWidth() < IntPromotionTy->getBitWidth() &&
1898              "Cannot extract to a larger integer!");
1899       V = IRB.CreateTrunc(V, TargetTy, getName(".trunc"));
1900     }
1901     return V;
1902   }
1903
1904   StoreInst *insertInteger(IRBuilder<> &IRB, Value *V, uint64_t Offset) {
1905     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(V->getType());
1906     if (Ty == IntPromotionTy)
1907       return IRB.CreateStore(V, &NewAI);
1908
1909     assert(Ty->getBitWidth() < IntPromotionTy->getBitWidth() &&
1910            "Cannot insert a larger integer!");
1911     V = IRB.CreateZExt(V, IntPromotionTy, getName(".ext"));
1912     assert(Offset >= NewAllocaBeginOffset && "Out of bounds offset");
1913     uint64_t RelOffset = Offset - NewAllocaBeginOffset;
1914     if (RelOffset)
1915       V = IRB.CreateShl(V, RelOffset*8, getName(".shift"));
1916
1917     APInt Mask = ~Ty->getMask().zext(IntPromotionTy->getBitWidth())
1918                                .shl(RelOffset*8);
1919     Value *Old = IRB.CreateAnd(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".oldload")),
1920                                Mask, getName(".mask"));
1921     return IRB.CreateStore(IRB.CreateOr(Old, V, getName(".insert")),
1922                            &NewAI);
1923   }
1924
1925   void deleteIfTriviallyDead(Value *V) {
1926     Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1927     if (isInstructionTriviallyDead(I))
1928       Pass.DeadInsts.push_back(I);
1929   }
1930
1931   Value *getValueCast(IRBuilder<> &IRB, Value *V, Type *Ty) {
1932     if (V->getType()->isIntegerTy() && Ty->isPointerTy())
1933       return IRB.CreateIntToPtr(V, Ty);
1934     if (V->getType()->isPointerTy() && Ty->isIntegerTy())
1935       return IRB.CreatePtrToInt(V, Ty);
1936
1937     return IRB.CreateBitCast(V, Ty);
1938   }
1939
1940   bool rewriteVectorizedLoadInst(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI, Value *OldOp) {
1941     Value *Result;
1942     if (LI.getType() == VecTy->getElementType() ||
1943         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1944       Result
1945         = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
1946                                    getIndex(IRB, BeginOffset),
1947                                    getName(".extract"));
1948     } else {
1949       Result = IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load"));
1950     }
1951     if (Result->getType() != LI.getType())
1952       Result = getValueCast(IRB, Result, LI.getType());
1953     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1954     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1955
1956     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1957     return true;
1958   }
1959
1960   bool rewriteIntegerLoad(IRBuilder<> &IRB, LoadInst &LI) {
1961     assert(!LI.isVolatile());
1962     Value *Result = extractInteger(IRB, cast<IntegerType>(LI.getType()),
1963                                    BeginOffset);
1964     LI.replaceAllUsesWith(Result);
1965     Pass.DeadInsts.push_back(&LI);
1966     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Result << "\n");
1967     return true;
1968   }
1969
1970   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
1971     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
1972     Value *OldOp = LI.getOperand(0);
1973     assert(OldOp == OldPtr);
1974     IRBuilder<> IRB(&LI);
1975
1976     if (VecTy)
1977       return rewriteVectorizedLoadInst(IRB, LI, OldOp);
1978     if (IntPromotionTy)
1979       return rewriteIntegerLoad(IRB, LI);
1980
1981     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
1982                                          LI.getPointerOperand()->getType());
1983     LI.setOperand(0, NewPtr);
1984     DEBUG(dbgs() << "          to: " << LI << "\n");
1985
1986     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
1987     return NewPtr == &NewAI && !LI.isVolatile();
1988   }
1989
1990   bool rewriteVectorizedStoreInst(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI,
1991                                   Value *OldOp) {
1992     Value *V = SI.getValueOperand();
1993     if (V->getType() == ElementTy ||
1994         BeginOffset > NewAllocaBeginOffset || EndOffset < NewAllocaEndOffset) {
1995       if (V->getType() != ElementTy)
1996         V = getValueCast(IRB, V, ElementTy);
1997       V = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
1998                                   getIndex(IRB, BeginOffset),
1999                                   getName(".insert"));
2000     } else if (V->getType() != VecTy) {
2001       V = getValueCast(IRB, V, VecTy);
2002     }
2003     StoreInst *Store = IRB.CreateStore(V, &NewAI);
2004     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
2005
2006     (void)Store;
2007     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2008     return true;
2009   }
2010
2011   bool rewriteIntegerStore(IRBuilder<> &IRB, StoreInst &SI) {
2012     assert(!SI.isVolatile());
2013     StoreInst *Store = insertInteger(IRB, SI.getValueOperand(), BeginOffset);
2014     Pass.DeadInsts.push_back(&SI);
2015     (void)Store;
2016     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2017     return true;
2018   }
2019
2020   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
2021     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2022     Value *OldOp = SI.getOperand(1);
2023     assert(OldOp == OldPtr);
2024     IRBuilder<> IRB(&SI);
2025
2026     if (VecTy)
2027       return rewriteVectorizedStoreInst(IRB, SI, OldOp);
2028     if (IntPromotionTy)
2029       return rewriteIntegerStore(IRB, SI);
2030
2031     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB,
2032                                          SI.getPointerOperand()->getType());
2033     SI.setOperand(1, NewPtr);
2034     DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2035
2036     deleteIfTriviallyDead(OldOp);
2037     return NewPtr == &NewAI && !SI.isVolatile();
2038   }
2039
2040   bool visitMemSetInst(MemSetInst &II) {
2041     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2042     IRBuilder<> IRB(&II);
2043     assert(II.getRawDest() == OldPtr);
2044
2045     // If the memset has a variable size, it cannot be split, just adjust the
2046     // pointer to the new alloca.
2047     if (!isa<Constant>(II.getLength())) {
2048       II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
2049       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2050       return false;
2051     }
2052
2053     // Record this instruction for deletion.
2054     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2055       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2056
2057     Type *AllocaTy = NewAI.getAllocatedType();
2058     Type *ScalarTy = AllocaTy->getScalarType();
2059
2060     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
2061     // a single value type, just emit a memset.
2062     if (!VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
2063                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
2064                    !AllocaTy->isSingleValueType() ||
2065                    !TD.isLegalInteger(TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy)))) {
2066       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
2067       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
2068
2069       CallInst *New
2070         = IRB.CreateMemSet(getAdjustedAllocaPtr(IRB,
2071                                                 II.getRawDest()->getType()),
2072                            II.getValue(), Size, II.getAlignment(),
2073                            II.isVolatile());
2074       (void)New;
2075       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2076       return false;
2077     }
2078
2079     // If we can represent this as a simple value, we have to build the actual
2080     // value to store, which requires expanding the byte present in memset to
2081     // a sensible representation for the alloca type. This is essentially
2082     // splatting the byte to a sufficiently wide integer, bitcasting to the
2083     // desired scalar type, and splatting it across any desired vector type.
2084     Value *V = II.getValue();
2085     IntegerType *VTy = cast<IntegerType>(V->getType());
2086     Type *IntTy = Type::getIntNTy(VTy->getContext(),
2087                                   TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy));
2088     if (TD.getTypeSizeInBits(ScalarTy) > VTy->getBitWidth())
2089       V = IRB.CreateMul(IRB.CreateZExt(V, IntTy, getName(".zext")),
2090                         ConstantExpr::getUDiv(
2091                           Constant::getAllOnesValue(IntTy),
2092                           ConstantExpr::getZExt(
2093                             Constant::getAllOnesValue(V->getType()),
2094                             IntTy)),
2095                         getName(".isplat"));
2096     if (V->getType() != ScalarTy) {
2097       if (ScalarTy->isPointerTy())
2098         V = IRB.CreateIntToPtr(V, ScalarTy);
2099       else if (ScalarTy->isPrimitiveType() || ScalarTy->isVectorTy())
2100         V = IRB.CreateBitCast(V, ScalarTy);
2101       else if (ScalarTy->isIntegerTy())
2102         llvm_unreachable("Computed different integer types with equal widths");
2103       else
2104         llvm_unreachable("Invalid scalar type");
2105     }
2106
2107     // If this is an element-wide memset of a vectorizable alloca, insert it.
2108     if (VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
2109                   EndOffset < NewAllocaEndOffset)) {
2110       StoreInst *Store = IRB.CreateStore(
2111         IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")), V,
2112                                 getIndex(IRB, BeginOffset),
2113                                 getName(".insert")),
2114         &NewAI);
2115       (void)Store;
2116       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2117       return true;
2118     }
2119
2120     // Splat to a vector if needed.
2121     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(AllocaTy)) {
2122       VectorType *SplatSourceTy = VectorType::get(V->getType(), 1);
2123       V = IRB.CreateShuffleVector(
2124         IRB.CreateInsertElement(UndefValue::get(SplatSourceTy), V,
2125                                 IRB.getInt32(0), getName(".vsplat.insert")),
2126         UndefValue::get(SplatSourceTy),
2127         ConstantVector::getSplat(VecTy->getNumElements(), IRB.getInt32(0)),
2128         getName(".vsplat.shuffle"));
2129       assert(V->getType() == VecTy);
2130     }
2131
2132     Value *New = IRB.CreateStore(V, &NewAI, II.isVolatile());
2133     (void)New;
2134     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2135     return !II.isVolatile();
2136   }
2137
2138   bool visitMemTransferInst(MemTransferInst &II) {
2139     // Rewriting of memory transfer instructions can be a bit tricky. We break
2140     // them into two categories: split intrinsics and unsplit intrinsics.
2141
2142     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2143     IRBuilder<> IRB(&II);
2144
2145     assert(II.getRawSource() == OldPtr || II.getRawDest() == OldPtr);
2146     bool IsDest = II.getRawDest() == OldPtr;
2147
2148     const AllocaPartitioning::MemTransferOffsets &MTO
2149       = P.getMemTransferOffsets(II);
2150
2151     // For unsplit intrinsics, we simply modify the source and destination
2152     // pointers in place. This isn't just an optimization, it is a matter of
2153     // correctness. With unsplit intrinsics we may be dealing with transfers
2154     // within a single alloca before SROA ran, or with transfers that have
2155     // a variable length. We may also be dealing with memmove instead of
2156     // memcpy, and so simply updating the pointers is the necessary for us to
2157     // update both source and dest of a single call.
2158     if (!MTO.IsSplittable) {
2159       Value *OldOp = IsDest ? II.getRawDest() : II.getRawSource();
2160       if (IsDest)
2161         II.setDest(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawDest()->getType()));
2162       else
2163         II.setSource(getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getRawSource()->getType()));
2164
2165       DEBUG(dbgs() << "          to: " << II << "\n");
2166       deleteIfTriviallyDead(OldOp);
2167       return false;
2168     }
2169     // For split transfer intrinsics we have an incredibly useful assurance:
2170     // the source and destination do not reside within the same alloca, and at
2171     // least one of them does not escape. This means that we can replace
2172     // memmove with memcpy, and we don't need to worry about all manner of
2173     // downsides to splitting and transforming the operations.
2174
2175     // Compute the relative offset within the transfer.
2176     unsigned IntPtrWidth = TD.getPointerSizeInBits();
2177     APInt RelOffset(IntPtrWidth, BeginOffset - (IsDest ? MTO.DestBegin
2178                                                        : MTO.SourceBegin));
2179
2180     // If this doesn't map cleanly onto the alloca type, and that type isn't
2181     // a single value type, just emit a memcpy.
2182     bool EmitMemCpy
2183       = !VecTy && (BeginOffset != NewAllocaBeginOffset ||
2184                    EndOffset != NewAllocaEndOffset ||
2185                    !NewAI.getAllocatedType()->isSingleValueType());
2186
2187     // If we're just going to emit a memcpy, the alloca hasn't changed, and the
2188     // size hasn't been shrunk based on analysis of the viable range, this is
2189     // a no-op.
2190     if (EmitMemCpy && &OldAI == &NewAI) {
2191       uint64_t OrigBegin = IsDest ? MTO.DestBegin : MTO.SourceBegin;
2192       uint64_t OrigEnd = IsDest ? MTO.DestEnd : MTO.SourceEnd;
2193       // Ensure the start lines up.
2194       assert(BeginOffset == OrigBegin);
2195       (void)OrigBegin;
2196
2197       // Rewrite the size as needed.
2198       if (EndOffset != OrigEnd)
2199         II.setLength(ConstantInt::get(II.getLength()->getType(),
2200                                       EndOffset - BeginOffset));
2201       return false;
2202     }
2203     // Record this instruction for deletion.
2204     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2205       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2206
2207     bool IsVectorElement = VecTy && (BeginOffset > NewAllocaBeginOffset ||
2208                                      EndOffset < NewAllocaEndOffset);
2209
2210     Type *OtherPtrTy = IsDest ? II.getRawSource()->getType()
2211                               : II.getRawDest()->getType();
2212     if (!EmitMemCpy)
2213       OtherPtrTy = IsVectorElement ? VecTy->getElementType()->getPointerTo()
2214                                    : NewAI.getType();
2215
2216     // Compute the other pointer, folding as much as possible to produce
2217     // a single, simple GEP in most cases.
2218     Value *OtherPtr = IsDest ? II.getRawSource() : II.getRawDest();
2219     OtherPtr = getAdjustedPtr(IRB, TD, OtherPtr, RelOffset, OtherPtrTy,
2220                               getName("." + OtherPtr->getName()));
2221
2222     // Strip all inbounds GEPs and pointer casts to try to dig out any root
2223     // alloca that should be re-examined after rewriting this instruction.
2224     if (AllocaInst *AI
2225           = dyn_cast<AllocaInst>(OtherPtr->stripInBoundsOffsets()))
2226       Pass.Worklist.insert(AI);
2227
2228     if (EmitMemCpy) {
2229       Value *OurPtr
2230         = getAdjustedAllocaPtr(IRB, IsDest ? II.getRawDest()->getType()
2231                                            : II.getRawSource()->getType());
2232       Type *SizeTy = II.getLength()->getType();
2233       Constant *Size = ConstantInt::get(SizeTy, EndOffset - BeginOffset);
2234
2235       CallInst *New = IRB.CreateMemCpy(IsDest ? OurPtr : OtherPtr,
2236                                        IsDest ? OtherPtr : OurPtr,
2237                                        Size, II.getAlignment(),
2238                                        II.isVolatile());
2239       (void)New;
2240       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2241       return false;
2242     }
2243
2244     Value *SrcPtr = OtherPtr;
2245     Value *DstPtr = &NewAI;
2246     if (!IsDest)
2247       std::swap(SrcPtr, DstPtr);
2248
2249     Value *Src;
2250     if (IsVectorElement && !IsDest) {
2251       // We have to extract rather than load.
2252       Src = IRB.CreateExtractElement(IRB.CreateLoad(SrcPtr,
2253                                                     getName(".copyload")),
2254                                      getIndex(IRB, BeginOffset),
2255                                      getName(".copyextract"));
2256     } else {
2257       Src = IRB.CreateLoad(SrcPtr, II.isVolatile(), getName(".copyload"));
2258     }
2259
2260     if (IsVectorElement && IsDest) {
2261       // We have to insert into a loaded copy before storing.
2262       Src = IRB.CreateInsertElement(IRB.CreateLoad(&NewAI, getName(".load")),
2263                                     Src, getIndex(IRB, BeginOffset),
2264                                     getName(".insert"));
2265     }
2266
2267     Value *Store = IRB.CreateStore(Src, DstPtr, II.isVolatile());
2268     (void)Store;
2269     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2270     return !II.isVolatile();
2271   }
2272
2273   bool visitIntrinsicInst(IntrinsicInst &II) {
2274     assert(II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
2275            II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
2276     DEBUG(dbgs() << "    original: " << II << "\n");
2277     IRBuilder<> IRB(&II);
2278     assert(II.getArgOperand(1) == OldPtr);
2279
2280     // Record this instruction for deletion.
2281     if (Pass.DeadSplitInsts.insert(&II))
2282       Pass.DeadInsts.push_back(&II);
2283
2284     ConstantInt *Size
2285       = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(II.getArgOperand(0)->getType()),
2286                          EndOffset - BeginOffset);
2287     Value *Ptr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, II.getArgOperand(1)->getType());
2288     Value *New;
2289     if (II.getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
2290       New = IRB.CreateLifetimeStart(Ptr, Size);
2291     else
2292       New = IRB.CreateLifetimeEnd(Ptr, Size);
2293
2294     DEBUG(dbgs() << "          to: " << *New << "\n");
2295     return true;
2296   }
2297
2298   /// PHI instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2299   /// rewritten to load both input pointers in the pred blocks and then PHI the
2300   /// results, allowing the load of the alloca to be promoted.
2301   /// From this:
2302   ///   %P2 = phi [i32* %Alloca, i32* %Other]
2303   ///   %V = load i32* %P2
2304   /// to:
2305   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2306   ///   ...
2307   ///   %V2 = load i32* %Other
2308   ///   ...
2309   ///   %V = phi [i32 %V1, i32 %V2]
2310   ///
2311   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2312   /// to the select can be loaded unconditionally.
2313   ///
2314   /// FIXME: This should be hoisted into a generic utility, likely in
2315   /// Transforms/Util/Local.h
2316   bool isSafePHIToSpeculate(PHINode &PN, SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2317     // For now, we can only do this promotion if the load is in the same block
2318     // as the PHI, and if there are no stores between the phi and load.
2319     // TODO: Allow recursive phi users.
2320     // TODO: Allow stores.
2321     BasicBlock *BB = PN.getParent();
2322     unsigned MaxAlign = 0;
2323     for (Value::use_iterator UI = PN.use_begin(), UE = PN.use_end();
2324          UI != UE; ++UI) {
2325       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2326       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2327
2328       // For now we only allow loads in the same block as the PHI.  This is
2329       // a common case that happens when instcombine merges two loads through
2330       // a PHI.
2331       if (LI->getParent() != BB) return false;
2332
2333       // Ensure that there are no instructions between the PHI and the load that
2334       // could store.
2335       for (BasicBlock::iterator BBI = &PN; &*BBI != LI; ++BBI)
2336         if (BBI->mayWriteToMemory())
2337           return false;
2338
2339       MaxAlign = std::max(MaxAlign, LI->getAlignment());
2340       Loads.push_back(LI);
2341     }
2342
2343     // We can only transform this if it is safe to push the loads into the
2344     // predecessor blocks. The only thing to watch out for is that we can't put
2345     // a possibly trapping load in the predecessor if it is a critical edge.
2346     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num;
2347          ++Idx) {
2348       TerminatorInst *TI = PN.getIncomingBlock(Idx)->getTerminator();
2349       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2350
2351       // If the value is produced by the terminator of the predecessor (an
2352       // invoke) or it has side-effects, there is no valid place to put a load
2353       // in the predecessor.
2354       if (TI == InVal || TI->mayHaveSideEffects())
2355         return false;
2356
2357       // If the predecessor has a single successor, then the edge isn't
2358       // critical.
2359       if (TI->getNumSuccessors() == 1)
2360         continue;
2361
2362       // If this pointer is always safe to load, or if we can prove that there
2363       // is already a load in the block, then we can move the load to the pred
2364       // block.
2365       if (InVal->isDereferenceablePointer() ||
2366           isSafeToLoadUnconditionally(InVal, TI, MaxAlign, &TD))
2367         continue;
2368
2369       return false;
2370     }
2371
2372     return true;
2373   }
2374
2375   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2376     DEBUG(dbgs() << "    original: " << PN << "\n");
2377     // We would like to compute a new pointer in only one place, but have it be
2378     // as local as possible to the PHI. To do that, we re-use the location of
2379     // the old pointer, which necessarily must be in the right position to
2380     // dominate the PHI.
2381     IRBuilder<> PtrBuilder(cast<Instruction>(OldPtr));
2382
2383     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2384     if (!isSafePHIToSpeculate(PN, Loads)) {
2385       Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2386       // Replace the operands which were using the old pointer.
2387       User::op_iterator OI = PN.op_begin(), OE = PN.op_end();
2388       for (; OI != OE; ++OI)
2389         if (*OI == OldPtr)
2390           *OI = NewPtr;
2391
2392       DEBUG(dbgs() << "          to: " << PN << "\n");
2393       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2394       return false;
2395     }
2396     assert(!Loads.empty());
2397
2398     Type *LoadTy = cast<PointerType>(PN.getType())->getElementType();
2399     IRBuilder<> PHIBuilder(&PN);
2400     PHINode *NewPN = PHIBuilder.CreatePHI(LoadTy, PN.getNumIncomingValues());
2401     NewPN->takeName(&PN);
2402
2403     // Get the TBAA tag and alignment to use from one of the loads.  It doesn't
2404     // matter which one we get and if any differ, it doesn't matter.
2405     LoadInst *SomeLoad = cast<LoadInst>(Loads.back());
2406     MDNode *TBAATag = SomeLoad->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa);
2407     unsigned Align = SomeLoad->getAlignment();
2408     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(PtrBuilder, OldPtr->getType());
2409
2410     // Rewrite all loads of the PN to use the new PHI.
2411     do {
2412       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2413       LI->replaceAllUsesWith(NewPN);
2414       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2415     } while (!Loads.empty());
2416
2417     // Inject loads into all of the pred blocks.
2418     for (unsigned Idx = 0, Num = PN.getNumIncomingValues(); Idx != Num; ++Idx) {
2419       BasicBlock *Pred = PN.getIncomingBlock(Idx);
2420       TerminatorInst *TI = Pred->getTerminator();
2421       Value *InVal = PN.getIncomingValue(Idx);
2422       IRBuilder<> PredBuilder(TI);
2423
2424       // Map the value to the new alloca pointer if this was the old alloca
2425       // pointer.
2426       bool ThisOperand = InVal == OldPtr;
2427       if (ThisOperand)
2428         InVal = NewPtr;
2429
2430       LoadInst *Load
2431         = PredBuilder.CreateLoad(InVal, getName(".sroa.speculate." +
2432                                                 Pred->getName()));
2433       ++NumLoadsSpeculated;
2434       Load->setAlignment(Align);
2435       if (TBAATag)
2436         Load->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, TBAATag);
2437       NewPN->addIncoming(Load, Pred);
2438
2439       if (ThisOperand)
2440         continue;
2441       Instruction *OtherPtr = dyn_cast<Instruction>(InVal);
2442       if (!OtherPtr)
2443         // No uses to rewrite.
2444         continue;
2445
2446       // Try to lookup and rewrite any partition uses corresponding to this phi
2447       // input.
2448       AllocaPartitioning::iterator PI
2449         = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2450       if (PI != P.end()) {
2451         // If the other pointer is within the partitioning, replace the PHI in
2452         // its uses with the load we just speculated, or add another load for
2453         // it to rewrite if we've already replaced the PHI.
2454         AllocaPartitioning::use_iterator UI
2455           = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(PN, OtherPtr);
2456         if (isa<PHINode>(*UI->User))
2457           UI->User = Load;
2458         else {
2459           AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse = *UI;
2460           OtherUse.User = Load;
2461           P.use_push_back(PI, OtherUse);
2462         }
2463       }
2464     }
2465     DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *NewPN << "\n");
2466     return NewPtr == &NewAI;
2467   }
2468
2469   /// Select instructions that use an alloca and are subsequently loaded can be
2470   /// rewritten to load both input pointers and then select between the result,
2471   /// allowing the load of the alloca to be promoted.
2472   /// From this:
2473   ///   %P2 = select i1 %cond, i32* %Alloca, i32* %Other
2474   ///   %V = load i32* %P2
2475   /// to:
2476   ///   %V1 = load i32* %Alloca      -> will be mem2reg'd
2477   ///   %V2 = load i32* %Other
2478   ///   %V = select i1 %cond, i32 %V1, i32 %V2
2479   ///
2480   /// We can do this to a select if its only uses are loads and if the operand
2481   /// to the select can be loaded unconditionally.
2482   bool isSafeSelectToSpeculate(SelectInst &SI,
2483                                SmallVectorImpl<LoadInst *> &Loads) {
2484     Value *TValue = SI.getTrueValue();
2485     Value *FValue = SI.getFalseValue();
2486     bool TDerefable = TValue->isDereferenceablePointer();
2487     bool FDerefable = FValue->isDereferenceablePointer();
2488
2489     for (Value::use_iterator UI = SI.use_begin(), UE = SI.use_end();
2490          UI != UE; ++UI) {
2491       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI);
2492       if (LI == 0 || !LI->isSimple()) return false;
2493
2494       // Both operands to the select need to be dereferencable, either
2495       // absolutely (e.g. allocas) or at this point because we can see other
2496       // accesses to it.
2497       if (!TDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(TValue, LI,
2498                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2499         return false;
2500       if (!FDerefable && !isSafeToLoadUnconditionally(FValue, LI,
2501                                                       LI->getAlignment(), &TD))
2502         return false;
2503       Loads.push_back(LI);
2504     }
2505
2506     return true;
2507   }
2508
2509   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2510     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2511     IRBuilder<> IRB(&SI);
2512
2513     // Find the operand we need to rewrite here.
2514     bool IsTrueVal = SI.getTrueValue() == OldPtr;
2515     if (IsTrueVal)
2516       assert(SI.getFalseValue() != OldPtr && "Pointer is both operands!");
2517     else
2518       assert(SI.getFalseValue() == OldPtr && "Pointer isn't an operand!");
2519     Value *NewPtr = getAdjustedAllocaPtr(IRB, OldPtr->getType());
2520
2521     // If the select isn't safe to speculate, just use simple logic to emit it.
2522     SmallVector<LoadInst *, 4> Loads;
2523     if (!isSafeSelectToSpeculate(SI, Loads)) {
2524       SI.setOperand(IsTrueVal ? 1 : 2, NewPtr);
2525       DEBUG(dbgs() << "          to: " << SI << "\n");
2526       deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2527       return false;
2528     }
2529
2530     Value *OtherPtr = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : SI.getTrueValue();
2531     AllocaPartitioning::iterator PI
2532       = P.findPartitionForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2533     AllocaPartitioning::PartitionUse OtherUse;
2534     if (PI != P.end()) {
2535       // If the other pointer is within the partitioning, remove the select
2536       // from its uses. We'll add in the new loads below.
2537       AllocaPartitioning::use_iterator UI
2538         = P.findPartitionUseForPHIOrSelectOperand(SI, OtherPtr);
2539       OtherUse = *UI;
2540       P.use_erase(PI, UI);
2541     }
2542
2543     Value *TV = IsTrueVal ? NewPtr : SI.getTrueValue();
2544     Value *FV = IsTrueVal ? SI.getFalseValue() : NewPtr;
2545     // Replace the loads of the select with a select of two loads.
2546     while (!Loads.empty()) {
2547       LoadInst *LI = Loads.pop_back_val();
2548
2549       IRB.SetInsertPoint(LI);
2550       LoadInst *TL =
2551         IRB.CreateLoad(TV, getName("." + LI->getName() + ".true"));
2552       LoadInst *FL =
2553         IRB.CreateLoad(FV, getName("." + LI->getName() + ".false"));
2554       NumLoadsSpeculated += 2;
2555       if (PI != P.end()) {
2556         LoadInst *OtherLoad = IsTrueVal ? FL : TL;
2557         assert(OtherUse.Ptr == OtherLoad->getOperand(0));
2558         OtherUse.User = OtherLoad;
2559         P.use_push_back(PI, OtherUse);
2560       }
2561
2562       // Transfer alignment and TBAA info if present.
2563       TL->setAlignment(LI->getAlignment());
2564       FL->setAlignment(LI->getAlignment());
2565       if (MDNode *Tag = LI->getMetadata(LLVMContext::MD_tbaa)) {
2566         TL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2567         FL->setMetadata(LLVMContext::MD_tbaa, Tag);
2568       }
2569
2570       Value *V = IRB.CreateSelect(SI.getCondition(), TL, FL);
2571       V->takeName(LI);
2572       DEBUG(dbgs() << "          speculated to: " << *V << "\n");
2573       LI->replaceAllUsesWith(V);
2574       Pass.DeadInsts.push_back(LI);
2575     }
2576
2577     deleteIfTriviallyDead(OldPtr);
2578     return NewPtr == &NewAI;
2579   }
2580
2581 };
2582 }
2583
2584 namespace {
2585 /// \brief Visitor to rewrite aggregate loads and stores as scalar.
2586 ///
2587 /// This pass aggressively rewrites all aggregate loads and stores on
2588 /// a particular pointer (or any pointer derived from it which we can identify)
2589 /// with scalar loads and stores.
2590 class AggLoadStoreRewriter : public InstVisitor<AggLoadStoreRewriter, bool> {
2591   // Befriend the base class so it can delegate to private visit methods.
2592   friend class llvm::InstVisitor<AggLoadStoreRewriter, bool>;
2593
2594   const TargetData &TD;
2595
2596   /// Queue of pointer uses to analyze and potentially rewrite.
2597   SmallVector<Use *, 8> Queue;
2598
2599   /// Set to prevent us from cycling with phi nodes and loops.
2600   SmallPtrSet<User *, 8> Visited;
2601
2602   /// The current pointer use being rewritten. This is used to dig up the used
2603   /// value (as opposed to the user).
2604   Use *U;
2605
2606 public:
2607   AggLoadStoreRewriter(const TargetData &TD) : TD(TD) {}
2608
2609   /// Rewrite loads and stores through a pointer and all pointers derived from
2610   /// it.
2611   bool rewrite(Instruction &I) {
2612     DEBUG(dbgs() << "  Rewriting FCA loads and stores...\n");
2613     enqueueUsers(I);
2614     bool Changed = false;
2615     while (!Queue.empty()) {
2616       U = Queue.pop_back_val();
2617       Changed |= visit(cast<Instruction>(U->getUser()));
2618     }
2619     return Changed;
2620   }
2621
2622 private:
2623   /// Enqueue all the users of the given instruction for further processing.
2624   /// This uses a set to de-duplicate users.
2625   void enqueueUsers(Instruction &I) {
2626     for (Value::use_iterator UI = I.use_begin(), UE = I.use_end(); UI != UE;
2627          ++UI)
2628       if (Visited.insert(*UI))
2629         Queue.push_back(&UI.getUse());
2630   }
2631
2632   // Conservative default is to not rewrite anything.
2633   bool visitInstruction(Instruction &I) { return false; }
2634
2635   /// \brief Generic recursive split emission class.
2636   template <typename Derived>
2637   class OpSplitter {
2638   protected:
2639     /// The builder used to form new instructions.
2640     IRBuilder<> IRB;
2641     /// The indices which to be used with insert- or extractvalue to select the
2642     /// appropriate value within the aggregate.
2643     SmallVector<unsigned, 4> Indices;
2644     /// The indices to a GEP instruction which will move Ptr to the correct slot
2645     /// within the aggregate.
2646     SmallVector<Value *, 4> GEPIndices;
2647     /// The base pointer of the original op, used as a base for GEPing the
2648     /// split operations.
2649     Value *Ptr;
2650
2651     /// Initialize the splitter with an insertion point, Ptr and start with a
2652     /// single zero GEP index.
2653     OpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2654       : IRB(InsertionPoint), GEPIndices(1, IRB.getInt32(0)), Ptr(Ptr) {}
2655
2656   public:
2657     /// \brief Generic recursive split emission routine.
2658     ///
2659     /// This method recursively splits an aggregate op (load or store) into
2660     /// scalar or vector ops. It splits recursively until it hits a single value
2661     /// and emits that single value operation via the template argument.
2662     ///
2663     /// The logic of this routine relies on GEPs and insertvalue and
2664     /// extractvalue all operating with the same fundamental index list, merely
2665     /// formatted differently (GEPs need actual values).
2666     ///
2667     /// \param Ty  The type being split recursively into smaller ops.
2668     /// \param Agg The aggregate value being built up or stored, depending on
2669     /// whether this is splitting a load or a store respectively.
2670     void emitSplitOps(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2671       if (Ty->isSingleValueType())
2672         return static_cast<Derived *>(this)->emitFunc(Ty, Agg, Name);
2673
2674       if (ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Ty)) {
2675         unsigned OldSize = Indices.size();
2676         (void)OldSize;
2677         for (unsigned Idx = 0, Size = ATy->getNumElements(); Idx != Size;
2678              ++Idx) {
2679           assert(Indices.size() == OldSize && "Did not return to the old size");
2680           Indices.push_back(Idx);
2681           GEPIndices.push_back(IRB.getInt32(Idx));
2682           emitSplitOps(ATy->getElementType(), Agg, Name + "." + Twine(Idx));
2683           GEPIndices.pop_back();
2684           Indices.pop_back();
2685         }
2686         return;
2687       }
2688
2689       if (StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty)) {
2690         unsigned OldSize = Indices.size();
2691         (void)OldSize;
2692         for (unsigned Idx = 0, Size = STy->getNumElements(); Idx != Size;
2693              ++Idx) {
2694           assert(Indices.size() == OldSize && "Did not return to the old size");
2695           Indices.push_back(Idx);
2696           GEPIndices.push_back(IRB.getInt32(Idx));
2697           emitSplitOps(STy->getElementType(Idx), Agg, Name + "." + Twine(Idx));
2698           GEPIndices.pop_back();
2699           Indices.pop_back();
2700         }
2701         return;
2702       }
2703
2704       llvm_unreachable("Only arrays and structs are aggregate loadable types");
2705     }
2706   };
2707
2708   struct LoadOpSplitter : public OpSplitter<LoadOpSplitter> {
2709     LoadOpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2710       : OpSplitter<LoadOpSplitter>(InsertionPoint, Ptr) {}
2711
2712     /// Emit a leaf load of a single value. This is called at the leaves of the
2713     /// recursive emission to actually load values.
2714     void emitFunc(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2715       assert(Ty->isSingleValueType());
2716       // Load the single value and insert it using the indices.
2717       Value *Load = IRB.CreateLoad(IRB.CreateInBoundsGEP(Ptr, GEPIndices,
2718                                                          Name + ".gep"),
2719                                    Name + ".load");
2720       Agg = IRB.CreateInsertValue(Agg, Load, Indices, Name + ".insert");
2721       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Load << "\n");
2722     }
2723   };
2724
2725   bool visitLoadInst(LoadInst &LI) {
2726     assert(LI.getPointerOperand() == *U);
2727     if (!LI.isSimple() || LI.getType()->isSingleValueType())
2728       return false;
2729
2730     // We have an aggregate being loaded, split it apart.
2731     DEBUG(dbgs() << "    original: " << LI << "\n");
2732     LoadOpSplitter Splitter(&LI, *U);
2733     Value *V = UndefValue::get(LI.getType());
2734     Splitter.emitSplitOps(LI.getType(), V, LI.getName() + ".fca");
2735     LI.replaceAllUsesWith(V);
2736     LI.eraseFromParent();
2737     return true;
2738   }
2739
2740   struct StoreOpSplitter : public OpSplitter<StoreOpSplitter> {
2741     StoreOpSplitter(Instruction *InsertionPoint, Value *Ptr)
2742       : OpSplitter<StoreOpSplitter>(InsertionPoint, Ptr) {}
2743
2744     /// Emit a leaf store of a single value. This is called at the leaves of the
2745     /// recursive emission to actually produce stores.
2746     void emitFunc(Type *Ty, Value *&Agg, const Twine &Name) {
2747       assert(Ty->isSingleValueType());
2748       // Extract the single value and store it using the indices.
2749       Value *Store = IRB.CreateStore(
2750         IRB.CreateExtractValue(Agg, Indices, Name + ".extract"),
2751         IRB.CreateInBoundsGEP(Ptr, GEPIndices, Name + ".gep"));
2752       (void)Store;
2753       DEBUG(dbgs() << "          to: " << *Store << "\n");
2754     }
2755   };
2756
2757   bool visitStoreInst(StoreInst &SI) {
2758     if (!SI.isSimple() || SI.getPointerOperand() != *U)
2759       return false;
2760     Value *V = SI.getValueOperand();
2761     if (V->getType()->isSingleValueType())
2762       return false;
2763
2764     // We have an aggregate being stored, split it apart.
2765     DEBUG(dbgs() << "    original: " << SI << "\n");
2766     StoreOpSplitter Splitter(&SI, *U);
2767     Splitter.emitSplitOps(V->getType(), V, V->getName() + ".fca");
2768     SI.eraseFromParent();
2769     return true;
2770   }
2771
2772   bool visitBitCastInst(BitCastInst &BC) {
2773     enqueueUsers(BC);
2774     return false;
2775   }
2776
2777   bool visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
2778     enqueueUsers(GEPI);
2779     return false;
2780   }
2781
2782   bool visitPHINode(PHINode &PN) {
2783     enqueueUsers(PN);
2784     return false;
2785   }
2786
2787   bool visitSelectInst(SelectInst &SI) {
2788     enqueueUsers(SI);
2789     return false;
2790   }
2791 };
2792 }
2793
2794 /// \brief Try to find a partition of the aggregate type passed in for a given
2795 /// offset and size.
2796 ///
2797 /// This recurses through the aggregate type and tries to compute a subtype
2798 /// based on the offset and size. When the offset and size span a sub-section
2799 /// of an array, it will even compute a new array type for that sub-section,
2800 /// and the same for structs.
2801 ///
2802 /// Note that this routine is very strict and tries to find a partition of the
2803 /// type which produces the *exact* right offset and size. It is not forgiving
2804 /// when the size or offset cause either end of type-based partition to be off.
2805 /// Also, this is a best-effort routine. It is reasonable to give up and not
2806 /// return a type if necessary.
2807 static Type *getTypePartition(const TargetData &TD, Type *Ty,
2808                               uint64_t Offset, uint64_t Size) {
2809   if (Offset == 0 && TD.getTypeAllocSize(Ty) == Size)
2810     return Ty;
2811
2812   if (SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(Ty)) {
2813     // We can't partition pointers...
2814     if (SeqTy->isPointerTy())
2815       return 0;
2816
2817     Type *ElementTy = SeqTy->getElementType();
2818     uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2819     uint64_t NumSkippedElements = Offset / ElementSize;
2820     if (ArrayType *ArrTy = dyn_cast<ArrayType>(SeqTy))
2821       if (NumSkippedElements >= ArrTy->getNumElements())
2822         return 0;
2823     if (VectorType *VecTy = dyn_cast<VectorType>(SeqTy))
2824       if (NumSkippedElements >= VecTy->getNumElements())
2825         return 0;
2826     Offset -= NumSkippedElements * ElementSize;
2827
2828     // First check if we need to recurse.
2829     if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2830       // Bail if the partition ends in a different array element.
2831       if ((Offset + Size) > ElementSize)
2832         return 0;
2833       // Recurse through the element type trying to peel off offset bytes.
2834       return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2835     }
2836     assert(Offset == 0);
2837
2838     if (Size == ElementSize)
2839       return ElementTy;
2840     assert(Size > ElementSize);
2841     uint64_t NumElements = Size / ElementSize;
2842     if (NumElements * ElementSize != Size)
2843       return 0;
2844     return ArrayType::get(ElementTy, NumElements);
2845   }
2846
2847   StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Ty);
2848   if (!STy)
2849     return 0;
2850
2851   const StructLayout *SL = TD.getStructLayout(STy);
2852   if (Offset >= SL->getSizeInBytes())
2853     return 0;
2854   uint64_t EndOffset = Offset + Size;
2855   if (EndOffset > SL->getSizeInBytes())
2856     return 0;
2857
2858   unsigned Index = SL->getElementContainingOffset(Offset);
2859   Offset -= SL->getElementOffset(Index);
2860
2861   Type *ElementTy = STy->getElementType(Index);
2862   uint64_t ElementSize = TD.getTypeAllocSize(ElementTy);
2863   if (Offset >= ElementSize)
2864     return 0; // The offset points into alignment padding.
2865
2866   // See if any partition must be contained by the element.
2867   if (Offset > 0 || Size < ElementSize) {
2868     if ((Offset + Size) > ElementSize)
2869       return 0;
2870     return getTypePartition(TD, ElementTy, Offset, Size);
2871   }
2872   assert(Offset == 0);
2873
2874   if (Size == ElementSize)
2875     return ElementTy;
2876
2877   StructType::element_iterator EI = STy->element_begin() + Index,
2878                                EE = STy->element_end();
2879   if (EndOffset < SL->getSizeInBytes()) {
2880     unsigned EndIndex = SL->getElementContainingOffset(EndOffset);
2881     if (Index == EndIndex)
2882       return 0; // Within a single element and its padding.
2883
2884     // Don't try to form "natural" types if the elements don't line up with the
2885     // expected size.
2886     // FIXME: We could potentially recurse down through the last element in the
2887     // sub-struct to find a natural end point.
2888     if (SL->getElementOffset(EndIndex) != EndOffset)
2889       return 0;
2890
2891     assert(Index < EndIndex);
2892     EE = STy->element_begin() + EndIndex;
2893   }
2894
2895   // Try to build up a sub-structure.
2896   SmallVector<Type *, 4> ElementTys;
2897   do {
2898     ElementTys.push_back(*EI++);
2899   } while (EI != EE);
2900   StructType *SubTy = StructType::get(STy->getContext(), ElementTys,
2901                                       STy->isPacked());
2902   const StructLayout *SubSL = TD.getStructLayout(SubTy);
2903   if (Size != SubSL->getSizeInBytes())
2904     return 0; // The sub-struct doesn't have quite the size needed.
2905
2906   return SubTy;
2907 }
2908
2909 /// \brief Rewrite an alloca partition's users.
2910 ///
2911 /// This routine drives both of the rewriting goals of the SROA pass. It tries
2912 /// to rewrite uses of an alloca partition to be conducive for SSA value
2913 /// promotion. If the partition needs a new, more refined alloca, this will
2914 /// build that new alloca, preserving as much type information as possible, and
2915 /// rewrite the uses of the old alloca to point at the new one and have the
2916 /// appropriate new offsets. It also evaluates how successful the rewrite was
2917 /// at enabling promotion and if it was successful queues the alloca to be
2918 /// promoted.
2919 bool SROA::rewriteAllocaPartition(AllocaInst &AI,
2920                                   AllocaPartitioning &P,
2921                                   AllocaPartitioning::iterator PI) {
2922   uint64_t AllocaSize = PI->EndOffset - PI->BeginOffset;
2923   if (P.use_begin(PI) == P.use_end(PI))
2924     return false; // No live uses left of this partition.
2925
2926   // Try to compute a friendly type for this partition of the alloca. This
2927   // won't always succeed, in which case we fall back to a legal integer type
2928   // or an i8 array of an appropriate size.
2929   Type *AllocaTy = 0;
2930   if (Type *PartitionTy = P.getCommonType(PI))
2931     if (TD->getTypeAllocSize(PartitionTy) >= AllocaSize)
2932       AllocaTy = PartitionTy;
2933   if (!AllocaTy)
2934     if (Type *PartitionTy = getTypePartition(*TD, AI.getAllocatedType(),
2935                                              PI->BeginOffset, AllocaSize))
2936       AllocaTy = PartitionTy;
2937   if ((!AllocaTy ||
2938        (AllocaTy->isArrayTy() &&
2939         AllocaTy->getArrayElementType()->isIntegerTy())) &&
2940       TD->isLegalInteger(AllocaSize * 8))
2941     AllocaTy = Type::getIntNTy(*C, AllocaSize * 8);
2942   if (!AllocaTy)
2943     AllocaTy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(*C), AllocaSize);
2944   assert(TD->getTypeAllocSize(AllocaTy) >= AllocaSize);
2945
2946   // Check for the case where we're going to rewrite to a new alloca of the
2947   // exact same type as the original, and with the same access offsets. In that
2948   // case, re-use the existing alloca, but still run through the rewriter to
2949   // performe phi and select speculation.
2950   AllocaInst *NewAI;
2951   if (AllocaTy == AI.getAllocatedType()) {
2952     assert(PI->BeginOffset == 0 &&
2953            "Non-zero begin offset but same alloca type");
2954     assert(PI == P.begin() && "Begin offset is zero on later partition");
2955     NewAI = &AI;
2956   } else {
2957     // FIXME: The alignment here is overly conservative -- we could in many
2958     // cases get away with much weaker alignment constraints.
2959     NewAI = new AllocaInst(AllocaTy, 0, AI.getAlignment(),
2960                            AI.getName() + ".sroa." + Twine(PI - P.begin()),
2961                            &AI);
2962     ++NumNewAllocas;
2963   }
2964
2965   DEBUG(dbgs() << "Rewriting alloca partition "
2966                << "[" << PI->BeginOffset << "," << PI->EndOffset << ") to: "
2967                << *NewAI << "\n");
2968
2969   AllocaPartitionRewriter Rewriter(*TD, P, PI, *this, AI, *NewAI,
2970                                    PI->BeginOffset, PI->EndOffset);
2971   DEBUG(dbgs() << "  rewriting ");
2972   DEBUG(P.print(dbgs(), PI, ""));
2973   if (Rewriter.visitUsers(P.use_begin(PI), P.use_end(PI))) {
2974     DEBUG(dbgs() << "  and queuing for promotion\n");
2975     PromotableAllocas.push_back(NewAI);
2976   } else if (NewAI != &AI) {
2977     // If we can't promote the alloca, iterate on it to check for new
2978     // refinements exposed by splitting the current alloca. Don't iterate on an
2979     // alloca which didn't actually change and didn't get promoted.
2980     Worklist.insert(NewAI);
2981   }
2982   return true;
2983 }
2984
2985 /// \brief Walks the partitioning of an alloca rewriting uses of each partition.
2986 bool SROA::splitAlloca(AllocaInst &AI, AllocaPartitioning &P) {
2987   bool Changed = false;
2988   for (AllocaPartitioning::iterator PI = P.begin(), PE = P.end(); PI != PE;
2989        ++PI)
2990     Changed |= rewriteAllocaPartition(AI, P, PI);
2991
2992   return Changed;
2993 }
2994
2995 /// \brief Analyze an alloca for SROA.
2996 ///
2997 /// This analyzes the alloca to ensure we can reason about it, builds
2998 /// a partitioning of the alloca, and then hands it off to be split and
2999 /// rewritten as needed.
3000 bool SROA::runOnAlloca(AllocaInst &AI) {
3001   DEBUG(dbgs() << "SROA alloca: " << AI << "\n");
3002   ++NumAllocasAnalyzed;
3003
3004   // Special case dead allocas, as they're trivial.
3005   if (AI.use_empty()) {
3006     AI.eraseFromParent();
3007     return true;
3008   }
3009
3010   // Skip alloca forms that this analysis can't handle.
3011   if (AI.isArrayAllocation() || !AI.getAllocatedType()->isSized() ||
3012       TD->getTypeAllocSize(AI.getAllocatedType()) == 0)
3013     return false;
3014
3015   // First check if this is a non-aggregate type that we should simply promote.
3016   if (!AI.getAllocatedType()->isAggregateType() && isAllocaPromotable(&AI)) {
3017     DEBUG(dbgs() << "  Trivially scalar type, queuing for promotion...\n");
3018     PromotableAllocas.push_back(&AI);
3019     return false;
3020   }
3021
3022   bool Changed = false;
3023
3024   // First, split any FCA loads and stores touching this alloca to promote
3025   // better splitting and promotion opportunities.
3026   AggLoadStoreRewriter AggRewriter(*TD);
3027   Changed |= AggRewriter.rewrite(AI);
3028
3029   // Build the partition set using a recursive instruction-visiting builder.
3030   AllocaPartitioning P(*TD, AI);
3031   DEBUG(P.print(dbgs()));
3032   if (P.isEscaped())
3033     return Changed;
3034
3035   // No partitions to split. Leave the dead alloca for a later pass to clean up.
3036   if (P.begin() == P.end())
3037     return Changed;
3038
3039   // Delete all the dead users of this alloca before splitting and rewriting it.
3040   for (AllocaPartitioning::dead_user_iterator DI = P.dead_user_begin(),
3041                                               DE = P.dead_user_end();
3042        DI != DE; ++DI) {
3043     Changed = true;
3044     (*DI)->replaceAllUsesWith(UndefValue::get((*DI)->getType()));
3045     DeadInsts.push_back(*DI);
3046   }
3047   for (AllocaPartitioning::dead_op_iterator DO = P.dead_op_begin(),
3048                                             DE = P.dead_op_end();
3049        DO != DE; ++DO) {
3050     Value *OldV = **DO;
3051     // Clobber the use with an undef value.
3052     **DO = UndefValue::get(OldV->getType());
3053     if (Instruction *OldI = dyn_cast<Instruction>(OldV))
3054       if (isInstructionTriviallyDead(OldI)) {
3055         Changed = true;
3056         DeadInsts.push_back(OldI);
3057       }
3058   }
3059
3060   return splitAlloca(AI, P) || Changed;
3061 }
3062
3063 /// \brief Delete the dead instructions accumulated in this run.
3064 ///
3065 /// Recursively deletes the dead instructions we've accumulated. This is done
3066 /// at the very end to maximize locality of the recursive delete and to
3067 /// minimize the problems of invalidated instruction pointers as such pointers
3068 /// are used heavily in the intermediate stages of the algorithm.
3069 ///
3070 /// We also record the alloca instructions deleted here so that they aren't
3071 /// subsequently handed to mem2reg to promote.
3072 void SROA::deleteDeadInstructions(SmallPtrSet<AllocaInst*, 4> &DeletedAllocas) {
3073   DeadSplitInsts.clear();
3074   while (!DeadInsts.empty()) {
3075     Instruction *I = DeadInsts.pop_back_val();
3076     DEBUG(dbgs() << "Deleting dead instruction: " << *I << "\n");
3077
3078     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
3079       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
3080         // Zero out the operand and see if it becomes trivially dead.
3081         *OI = 0;
3082         if (isInstructionTriviallyDead(U))
3083           DeadInsts.push_back(U);
3084       }
3085
3086     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
3087       DeletedAllocas.insert(AI);
3088
3089     ++NumDeleted;
3090     I->eraseFromParent();
3091   }
3092 }
3093
3094 /// \brief Promote the allocas, using the best available technique.
3095 ///
3096 /// This attempts to promote whatever allocas have been identified as viable in
3097 /// the PromotableAllocas list. If that list is empty, there is nothing to do.
3098 /// If there is a domtree available, we attempt to promote using the full power
3099 /// of mem2reg. Otherwise, we build and use the AllocaPromoter above which is
3100 /// based on the SSAUpdater utilities. This function returns whether any
3101 /// promotion occured.
3102 bool SROA::promoteAllocas(Function &F) {
3103   if (PromotableAllocas.empty())
3104     return false;
3105
3106   NumPromoted += PromotableAllocas.size();
3107
3108   if (DT && !ForceSSAUpdater) {
3109     DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with mem2reg...\n");
3110     PromoteMemToReg(PromotableAllocas, *DT);
3111     PromotableAllocas.clear();
3112     return true;
3113   }
3114
3115   DEBUG(dbgs() << "Promoting allocas with SSAUpdater...\n");
3116   SSAUpdater SSA;
3117   DIBuilder DIB(*F.getParent());
3118   SmallVector<Instruction*, 64> Insts;
3119
3120   for (unsigned Idx = 0, Size = PromotableAllocas.size(); Idx != Size; ++Idx) {
3121     AllocaInst *AI = PromotableAllocas[Idx];
3122     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
3123          UI != UE;) {
3124       Instruction *I = cast<Instruction>(*UI++);
3125       // FIXME: Currently the SSAUpdater infrastructure doesn't reason about
3126       // lifetime intrinsics and so we strip them (and the bitcasts+GEPs
3127       // leading to them) here. Eventually it should use them to optimize the
3128       // scalar values produced.
3129       if (isa<BitCastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I)) {
3130         assert(onlyUsedByLifetimeMarkers(I) &&
3131                "Found a bitcast used outside of a lifetime marker.");
3132         while (!I->use_empty())
3133           cast<Instruction>(*I->use_begin())->eraseFromParent();
3134         I->eraseFromParent();
3135         continue;
3136       }
3137       if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
3138         assert(II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start ||
3139                II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_end);
3140         II->eraseFromParent();
3141         continue;
3142       }
3143
3144       Insts.push_back(I);
3145     }
3146     AllocaPromoter(Insts, SSA, *AI, DIB).run(Insts);
3147     Insts.clear();
3148   }
3149
3150   PromotableAllocas.clear();
3151   return true;
3152 }
3153
3154 namespace {
3155   /// \brief A predicate to test whether an alloca belongs to a set.
3156   class IsAllocaInSet {
3157     typedef SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> SetType;
3158     const SetType &Set;
3159
3160   public:
3161     IsAllocaInSet(const SetType &Set) : Set(Set) {}
3162     bool operator()(AllocaInst *AI) { return Set.count(AI); }
3163   };
3164 }
3165
3166 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
3167   DEBUG(dbgs() << "SROA function: " << F.getName() << "\n");
3168   C = &F.getContext();
3169   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
3170   if (!TD) {
3171     DEBUG(dbgs() << "  Skipping SROA -- no target data!\n");
3172     return false;
3173   }
3174   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
3175
3176   BasicBlock &EntryBB = F.getEntryBlock();
3177   for (BasicBlock::iterator I = EntryBB.begin(), E = llvm::prior(EntryBB.end());
3178        I != E; ++I)
3179     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
3180       Worklist.insert(AI);
3181
3182   bool Changed = false;
3183   // A set of deleted alloca instruction pointers which should be removed from
3184   // the list of promotable allocas.
3185   SmallPtrSet<AllocaInst *, 4> DeletedAllocas;
3186
3187   while (!Worklist.empty()) {
3188     Changed |= runOnAlloca(*Worklist.pop_back_val());
3189     deleteDeadInstructions(DeletedAllocas);
3190     if (!DeletedAllocas.empty()) {
3191       PromotableAllocas.erase(std::remove_if(PromotableAllocas.begin(),
3192                                              PromotableAllocas.end(),
3193                                              IsAllocaInSet(DeletedAllocas)),
3194                               PromotableAllocas.end());
3195       DeletedAllocas.clear();
3196     }
3197   }
3198
3199   Changed |= promoteAllocas(F);
3200
3201   return Changed;
3202 }
3203
3204 void SROA::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3205   if (RequiresDomTree)
3206     AU.addRequired<DominatorTree>();
3207   AU.setPreservesCFG();
3208 }