lib/Transforms/Scalar/ScalarReplAggregates.cpp

   1 //===- ScalarReplAggregates.cpp - Scalar Replacement of Aggregates --------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
   6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This transformation implements the well known scalar replacement of
  11 // aggregates transformation.  This xform breaks up alloca instructions of
  12 // aggregate type (structure or array) into individual alloca instructions for
  13 // each member (if possible).  Then, if possible, it transforms the individual
  14 // alloca instructions into nice clean scalar SSA form.
  15 //
  16 // This combines a simple SRoA algorithm with the Mem2Reg algorithm because
  17 // often interact, especially for C++ programs.  As such, iterating between
  18 // SRoA, then Mem2Reg until we run out of things to promote works well.
  19 //
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  23 #include "llvm/Constants.h"
  24 #include "llvm/DerivedTypes.h"
  25 #include "llvm/Function.h"
  26 #include "llvm/Pass.h"
  27 #include "llvm/Instructions.h"
  28 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  29 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  30 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
  33 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
  34 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  36 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
  37 using namespace llvm;
  38
  39 namespace {
  40   Statistic NumReplaced("scalarrepl", "Number of allocas broken up");
  41   Statistic NumPromoted("scalarrepl", "Number of allocas promoted");
  42   Statistic NumConverted("scalarrepl",
  43                            "Number of aggregates converted to scalar");
  44
  45   struct VISIBILITY_HIDDEN SROA : public FunctionPass {
  46     bool runOnFunction(Function &F);
  47
  48     bool performScalarRepl(Function &F);
  49     bool performPromotion(Function &F);
  50
  51     // getAnalysisUsage - This pass does not require any passes, but we know it
  52     // will not alter the CFG, so say so.
  53     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  54       AU.addRequired<DominatorTree>();
  55       AU.addRequired<DominanceFrontier>();
  56       AU.addRequired<TargetData>();
  57       AU.setPreservesCFG();
  58     }
  59
  60   private:
  61     int isSafeElementUse(Value *Ptr);
  62     int isSafeUseOfAllocation(Instruction *User);
  63     int isSafeAllocaToScalarRepl(AllocationInst *AI);
  64     void CanonicalizeAllocaUsers(AllocationInst *AI);
  65     AllocaInst *AddNewAlloca(Function &F, const Type *Ty, AllocationInst *Base);
  66
  67     const Type *CanConvertToScalar(Value *V, bool &IsNotTrivial);
  68     void ConvertToScalar(AllocationInst *AI, const Type *Ty);
  69     void ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, unsigned Offset);
  70   };
  71
  72   RegisterPass<SROA> X("scalarrepl", "Scalar Replacement of Aggregates");
  73 }
  74
  75 // Public interface to the ScalarReplAggregates pass
  76 FunctionPass *llvm::createScalarReplAggregatesPass() { return new SROA(); }
  77
  78
  79 bool SROA::runOnFunction(Function &F) {
  80   bool Changed = performPromotion(F);
  81   while (1) {
  82     bool LocalChange = performScalarRepl(F);
  83     if (!LocalChange) break;   // No need to repromote if no scalarrepl
  84     Changed = true;
  85     LocalChange = performPromotion(F);
  86     if (!LocalChange) break;   // No need to re-scalarrepl if no promotion
  87   }
  88
  89   return Changed;
  90 }
  91
  92
  93 bool SROA::performPromotion(Function &F) {
  94   std::vector<AllocaInst*> Allocas;
  95   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
  96   DominatorTree     &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
  97   DominanceFrontier &DF = getAnalysis<DominanceFrontier>();
  98
  99   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();  // Get the entry node for the function
 100
 101   bool Changed = false;
 102
 103   while (1) {
 104     Allocas.clear();
 105
 106     // Find allocas that are safe to promote, by looking at all instructions in
 107     // the entry node
 108     for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
 109       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))       // Is it an alloca?
 110         if (isAllocaPromotable(AI, TD))
 111           Allocas.push_back(AI);
 112
 113     if (Allocas.empty()) break;
 114
 115     PromoteMemToReg(Allocas, DT, DF, TD);
 116     NumPromoted += Allocas.size();
 117     Changed = true;
 118   }
 119
 120   return Changed;
 121 }
 122
 123 // performScalarRepl - This algorithm is a simple worklist driven algorithm,
 124 // which runs on all of the malloc/alloca instructions in the function, removing
 125 // them if they are only used by getelementptr instructions.
 126 //
 127 bool SROA::performScalarRepl(Function &F) {
 128   std::vector<AllocationInst*> WorkList;
 129
 130   // Scan the entry basic block, adding any alloca's and mallocs to the worklist
 131   BasicBlock &BB = F.getEntryBlock();
 132   for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = BB.end(); I != E; ++I)
 133     if (AllocationInst *A = dyn_cast<AllocationInst>(I))
 134       WorkList.push_back(A);
 135
 136   // Process the worklist
 137   bool Changed = false;
 138   while (!WorkList.empty()) {
 139     AllocationInst *AI = WorkList.back();
 140     WorkList.pop_back();
 141
 142     // If we can turn this aggregate value (potentially with casts) into a
 143     // simple scalar value that can be mem2reg'd into a register value.
 144     bool IsNotTrivial = false;
 145     if (const Type *ActualType = CanConvertToScalar(AI, IsNotTrivial))
 146       if (IsNotTrivial && ActualType != Type::VoidTy) {
 147         ConvertToScalar(AI, ActualType);
 148         Changed = true;
 149         continue;
 150       }
 151
 152     // We cannot transform the allocation instruction if it is an array
 153     // allocation (allocations OF arrays are ok though), and an allocation of a
 154     // scalar value cannot be decomposed at all.
 155     //
 156     if (AI->isArrayAllocation() ||
 157         (!isa<StructType>(AI->getAllocatedType()) &&
 158          !isa<ArrayType>(AI->getAllocatedType()))) continue;
 159
 160     // Check that all of the users of the allocation are capable of being
 161     // transformed.
 162     switch (isSafeAllocaToScalarRepl(AI)) {
 163     default: assert(0 && "Unexpected value!");
 164     case 0:  // Not safe to scalar replace.
 165       continue;
 166     case 1:  // Safe, but requires cleanup/canonicalizations first
 167       CanonicalizeAllocaUsers(AI);
 168     case 3:  // Safe to scalar replace.
 169       break;
 170     }
 171
 172     DOUT << "Found inst to xform: " << *AI;
 173     Changed = true;
 174
 175     std::vector<AllocaInst*> ElementAllocas;
 176     if (const StructType *ST = dyn_cast<StructType>(AI->getAllocatedType())) {
 177       ElementAllocas.reserve(ST->getNumContainedTypes());
 178       for (unsigned i = 0, e = ST->getNumContainedTypes(); i != e; ++i) {
 179         AllocaInst *NA = new AllocaInst(ST->getContainedType(i), 0,
 180                                         AI->getAlignment(),
 181                                         AI->getName() + "." + utostr(i), AI);
 182         ElementAllocas.push_back(NA);
 183         WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
 184       }
 185     } else {
 186       const ArrayType *AT = cast<ArrayType>(AI->getAllocatedType());
 187       ElementAllocas.reserve(AT->getNumElements());
 188       const Type *ElTy = AT->getElementType();
 189       for (unsigned i = 0, e = AT->getNumElements(); i != e; ++i) {
 190         AllocaInst *NA = new AllocaInst(ElTy, 0, AI->getAlignment(),
 191                                         AI->getName() + "." + utostr(i), AI);
 192         ElementAllocas.push_back(NA);
 193         WorkList.push_back(NA);  // Add to worklist for recursive processing
 194       }
 195     }
 196
 197     // Now that we have created the alloca instructions that we want to use,
 198     // expand the getelementptr instructions to use them.
 199     //
 200     while (!AI->use_empty()) {
 201       Instruction *User = cast<Instruction>(AI->use_back());
 202       GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(User);
 203       // We now know that the GEP is of the form: GEP <ptr>, 0, <cst>
 204       unsigned Idx =
 205          (unsigned)cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue();
 206
 207       assert(Idx < ElementAllocas.size() && "Index out of range?");
 208       AllocaInst *AllocaToUse = ElementAllocas[Idx];
 209
 210       Value *RepValue;
 211       if (GEPI->getNumOperands() == 3) {
 212         // Do not insert a new getelementptr instruction with zero indices, only
 213         // to have it optimized out later.
 214         RepValue = AllocaToUse;
 215       } else {
 216         // We are indexing deeply into the structure, so we still need a
 217         // getelement ptr instruction to finish the indexing.  This may be
 218         // expanded itself once the worklist is rerun.
 219         //
 220         std::string OldName = GEPI->getName();  // Steal the old name.
 221         std::vector<Value*> NewArgs;
 222         NewArgs.push_back(Constant::getNullValue(Type::IntTy));
 223         NewArgs.insert(NewArgs.end(), GEPI->op_begin()+3, GEPI->op_end());
 224         GEPI->setName("");
 225         RepValue = new GetElementPtrInst(AllocaToUse, NewArgs, OldName, GEPI);
 226       }
 227
 228       // Move all of the users over to the new GEP.
 229       GEPI->replaceAllUsesWith(RepValue);
 230       // Delete the old GEP
 231       GEPI->eraseFromParent();
 232     }
 233
 234     // Finally, delete the Alloca instruction
 235     AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
 236     NumReplaced++;
 237   }
 238
 239   return Changed;
 240 }
 241
 242
 243 /// isSafeElementUse - Check to see if this use is an allowed use for a
 244 /// getelementptr instruction of an array aggregate allocation.
 245 ///
 246 int SROA::isSafeElementUse(Value *Ptr) {
 247   for (Value::use_iterator I = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
 248        I != E; ++I) {
 249     Instruction *User = cast<Instruction>(*I);
 250     switch (User->getOpcode()) {
 251     case Instruction::Load:  break;
 252     case Instruction::Store:
 253       // Store is ok if storing INTO the pointer, not storing the pointer
 254       if (User->getOperand(0) == Ptr) return 0;
 255       break;
 256     case Instruction::GetElementPtr: {
 257       GetElementPtrInst *GEP = cast<GetElementPtrInst>(User);
 258       if (GEP->getNumOperands() > 1) {
 259         if (!isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
 260             !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
 261           return 0;  // Using pointer arithmetic to navigate the array...
 262       }
 263       if (!isSafeElementUse(GEP)) return 0;
 264       break;
 265     }
 266     default:
 267       DOUT << "  Transformation preventing inst: " << *User;
 268       return 0;
 269     }
 270   }
 271   return 3;  // All users look ok :)
 272 }
 273
 274 /// AllUsersAreLoads - Return true if all users of this value are loads.
 275 static bool AllUsersAreLoads(Value *Ptr) {
 276   for (Value::use_iterator I = Ptr->use_begin(), E = Ptr->use_end();
 277        I != E; ++I)
 278     if (cast<Instruction>(*I)->getOpcode() != Instruction::Load)
 279       return false;
 280   return true;
 281 }
 282
 283 /// isSafeUseOfAllocation - Check to see if this user is an allowed use for an
 284 /// aggregate allocation.
 285 ///
 286 int SROA::isSafeUseOfAllocation(Instruction *User) {
 287   if (!isa<GetElementPtrInst>(User)) return 0;
 288
 289   GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(User);
 290   gep_type_iterator I = gep_type_begin(GEPI), E = gep_type_end(GEPI);
 291
 292   // The GEP is not safe to transform if not of the form "GEP <ptr>, 0, <cst>".
 293   if (I == E ||
 294       I.getOperand() != Constant::getNullValue(I.getOperand()->getType()))
 295     return 0;
 296
 297   ++I;
 298   if (I == E) return 0;  // ran out of GEP indices??
 299
 300   // If this is a use of an array allocation, do a bit more checking for sanity.
 301   if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*I)) {
 302     uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
 303
 304     if (isa<ConstantInt>(I.getOperand())) {
 305       // Check to make sure that index falls within the array.  If not,
 306       // something funny is going on, so we won't do the optimization.
 307       //
 308       if (cast<ConstantInt>(GEPI->getOperand(2))->getZExtValue() >= NumElements)
 309         return 0;
 310
 311       // We cannot scalar repl this level of the array unless any array
 312       // sub-indices are in-range constants.  In particular, consider:
 313       // A[0][i].  We cannot know that the user isn't doing invalid things like
 314       // allowing i to index an out-of-range subscript that accesses A[1].
 315       //
 316       // Scalar replacing *just* the outer index of the array is probably not
 317       // going to be a win anyway, so just give up.
 318       for (++I; I != E && (isa<ArrayType>(*I) || isa<PackedType>(*I)); ++I) {
 319         uint64_t NumElements;
 320         if (const ArrayType *SubArrayTy = dyn_cast<ArrayType>(*I))
 321           NumElements = SubArrayTy->getNumElements();
 322         else
 323           NumElements = cast<PackedType>(*I)->getNumElements();
 324
 325         if (!isa<ConstantInt>(I.getOperand())) return 0;
 326         if (cast<ConstantInt>(I.getOperand())->getZExtValue() >= NumElements)
 327           return 0;
 328       }
 329
 330     } else {
 331       // If this is an array index and the index is not constant, we cannot
 332       // promote... that is unless the array has exactly one or two elements in
 333       // it, in which case we CAN promote it, but we have to canonicalize this
 334       // out if this is the only problem.
 335       if ((NumElements == 1 || NumElements == 2) &&
 336           AllUsersAreLoads(GEPI))
 337         return 1;  // Canonicalization required!
 338       return 0;
 339     }
 340   }
 341
 342   // If there are any non-simple uses of this getelementptr, make sure to reject
 343   // them.
 344   return isSafeElementUse(GEPI);
 345 }
 346
 347 /// isSafeStructAllocaToScalarRepl - Check to see if the specified allocation of
 348 /// an aggregate can be broken down into elements.  Return 0 if not, 3 if safe,
 349 /// or 1 if safe after canonicalization has been performed.
 350 ///
 351 int SROA::isSafeAllocaToScalarRepl(AllocationInst *AI) {
 352   // Loop over the use list of the alloca.  We can only transform it if all of
 353   // the users are safe to transform.
 354   //
 355   int isSafe = 3;
 356   for (Value::use_iterator I = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
 357        I != E; ++I) {
 358     isSafe &= isSafeUseOfAllocation(cast<Instruction>(*I));
 359     if (isSafe == 0) {
 360       DOUT << "Cannot transform: " << *AI << "  due to user: " << **I;
 361       return 0;
 362     }
 363   }
 364   // If we require cleanup, isSafe is now 1, otherwise it is 3.
 365   return isSafe;
 366 }
 367
 368 /// CanonicalizeAllocaUsers - If SROA reported that it can promote the specified
 369 /// allocation, but only if cleaned up, perform the cleanups required.
 370 void SROA::CanonicalizeAllocaUsers(AllocationInst *AI) {
 371   // At this point, we know that the end result will be SROA'd and promoted, so
 372   // we can insert ugly code if required so long as sroa+mem2reg will clean it
 373   // up.
 374   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
 375        UI != E; ) {
 376     GetElementPtrInst *GEPI = cast<GetElementPtrInst>(*UI++);
 377     gep_type_iterator I = gep_type_begin(GEPI);
 378     ++I;
 379
 380     if (const ArrayType *AT = dyn_cast<ArrayType>(*I)) {
 381       uint64_t NumElements = AT->getNumElements();
 382
 383       if (!isa<ConstantInt>(I.getOperand())) {
 384         if (NumElements == 1) {
 385           GEPI->setOperand(2, Constant::getNullValue(Type::IntTy));
 386         } else {
 387           assert(NumElements == 2 && "Unhandled case!");
 388           // All users of the GEP must be loads.  At each use of the GEP, insert
 389           // two loads of the appropriate indexed GEP and select between them.
 390           Value *IsOne = BinaryOperator::createSetNE(I.getOperand(),
 391                               Constant::getNullValue(I.getOperand()->getType()),
 392                                                      "isone", GEPI);
 393           // Insert the new GEP instructions, which are properly indexed.
 394           std::vector<Value*> Indices(GEPI->op_begin()+1, GEPI->op_end());
 395           Indices[1] = Constant::getNullValue(Type::IntTy);
 396           Value *ZeroIdx = new GetElementPtrInst(GEPI->getOperand(0), Indices,
 397                                                  GEPI->getName()+".0", GEPI);
 398           Indices[1] = ConstantInt::get(Type::IntTy, 1);
 399           Value *OneIdx = new GetElementPtrInst(GEPI->getOperand(0), Indices,
 400                                                 GEPI->getName()+".1", GEPI);
 401           // Replace all loads of the variable index GEP with loads from both
 402           // indexes and a select.
 403           while (!GEPI->use_empty()) {
 404             LoadInst *LI = cast<LoadInst>(GEPI->use_back());
 405             Value *Zero = new LoadInst(ZeroIdx, LI->getName()+".0", LI);
 406             Value *One  = new LoadInst(OneIdx , LI->getName()+".1", LI);
 407             Value *R = new SelectInst(IsOne, One, Zero, LI->getName(), LI);
 408             LI->replaceAllUsesWith(R);
 409             LI->eraseFromParent();
 410           }
 411           GEPI->eraseFromParent();
 412         }
 413       }
 414     }
 415   }
 416 }
 417
 418 /// MergeInType - Add the 'In' type to the accumulated type so far.  If the
 419 /// types are incompatible, return true, otherwise update Accum and return
 420 /// false.
 421 ///
 422 /// There are three cases we handle here:
 423 ///   1) An effectively-integer union, where the pieces are stored into as
 424 ///      smaller integers (common with byte swap and other idioms).
 425 ///   2) A union of vector types of the same size and potentially its elements.
 426 ///      Here we turn element accesses into insert/extract element operations.
 427 ///   3) A union of scalar types, such as int/float or int/pointer.  Here we
 428 ///      merge together into integers, allowing the xform to work with #1 as
 429 ///      well.
 430 static bool MergeInType(const Type *In, const Type *&Accum,
 431                         const TargetData &TD) {
 432   // If this is our first type, just use it.
 433   const PackedType *PTy;
 434   if (Accum == Type::VoidTy || In == Accum) {
 435     Accum = In;
 436   } else if (In == Type::VoidTy) {
 437     // Noop.
 438   } else if (In->isIntegral() && Accum->isIntegral()) {   // integer union.
 439     // Otherwise pick whichever type is larger.
 440     if (In->getTypeID() > Accum->getTypeID())
 441       Accum = In;
 442   } else if (isa<PointerType>(In) && isa<PointerType>(Accum)) {
 443     // Pointer unions just stay as one of the pointers.
 444   } else if (isa<PackedType>(In) || isa<PackedType>(Accum)) {
 445     if ((PTy = dyn_cast<PackedType>(Accum)) &&
 446         PTy->getElementType() == In) {
 447       // Accum is a vector, and we are accessing an element: ok.
 448     } else if ((PTy = dyn_cast<PackedType>(In)) &&
 449                PTy->getElementType() == Accum) {
 450       // In is a vector, and accum is an element: ok, remember In.
 451       Accum = In;
 452     } else if ((PTy = dyn_cast<PackedType>(In)) && isa<PackedType>(Accum) &&
 453                PTy->getBitWidth() == cast<PackedType>(Accum)->getBitWidth()) {
 454       // Two vectors of the same size: keep Accum.
 455     } else {
 456       // Cannot insert an short into a <4 x int> or handle
 457       // <2 x int> -> <4 x int>
 458       return true;
 459     }
 460   } else {
 461     // Pointer/FP/Integer unions merge together as integers.
 462     switch (Accum->getTypeID()) {
 463     case Type::PointerTyID: Accum = TD.getIntPtrType(); break;
 464     case Type::FloatTyID:   Accum = Type::UIntTy; break;
 465     case Type::DoubleTyID:  Accum = Type::ULongTy; break;
 466     default:
 467       assert(Accum->isIntegral() && "Unknown FP type!");
 468       break;
 469     }
 470
 471     switch (In->getTypeID()) {
 472     case Type::PointerTyID: In = TD.getIntPtrType(); break;
 473     case Type::FloatTyID:   In = Type::UIntTy; break;
 474     case Type::DoubleTyID:  In = Type::ULongTy; break;
 475     default:
 476       assert(In->isIntegral() && "Unknown FP type!");
 477       break;
 478     }
 479     return MergeInType(In, Accum, TD);
 480   }
 481   return false;
 482 }
 483
 484 /// getUIntAtLeastAsBitAs - Return an unsigned integer type that is at least
 485 /// as big as the specified type.  If there is no suitable type, this returns
 486 /// null.
 487 const Type *getUIntAtLeastAsBitAs(unsigned NumBits) {
 488   if (NumBits > 64) return 0;
 489   if (NumBits > 32) return Type::ULongTy;
 490   if (NumBits > 16) return Type::UIntTy;
 491   if (NumBits > 8) return Type::UShortTy;
 492   return Type::UByteTy;
 493 }
 494
 495 /// CanConvertToScalar - V is a pointer.  If we can convert the pointee to a
 496 /// single scalar integer type, return that type.  Further, if the use is not
 497 /// a completely trivial use that mem2reg could promote, set IsNotTrivial.  If
 498 /// there are no uses of this pointer, return Type::VoidTy to differentiate from
 499 /// failure.
 500 ///
 501 const Type *SROA::CanConvertToScalar(Value *V, bool &IsNotTrivial) {
 502   const Type *UsedType = Type::VoidTy; // No uses, no forced type.
 503   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 504   const PointerType *PTy = cast<PointerType>(V->getType());
 505
 506   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI!=E; ++UI) {
 507     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
 508
 509     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
 510       if (MergeInType(LI->getType(), UsedType, TD))
 511         return 0;
 512
 513     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
 514       // Storing the pointer, not the into the value?
 515       if (SI->getOperand(0) == V) return 0;
 516
 517       // NOTE: We could handle storing of FP imms into integers here!
 518
 519       if (MergeInType(SI->getOperand(0)->getType(), UsedType, TD))
 520         return 0;
 521     } else if (BitCastInst *CI = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
 522       IsNotTrivial = true;
 523       const Type *SubTy = CanConvertToScalar(CI, IsNotTrivial);
 524       if (!SubTy || MergeInType(SubTy, UsedType, TD)) return 0;
 525     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
 526       // Check to see if this is stepping over an element: GEP Ptr, int C
 527       if (GEP->getNumOperands() == 2 && isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))) {
 528         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->getZExtValue();
 529         unsigned ElSize = TD.getTypeSize(PTy->getElementType());
 530         unsigned BitOffset = Idx*ElSize*8;
 531         if (BitOffset > 64 || !isPowerOf2_32(ElSize)) return 0;
 532
 533         IsNotTrivial = true;
 534         const Type *SubElt = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
 535         if (SubElt == 0) return 0;
 536         if (SubElt != Type::VoidTy && SubElt->isInteger()) {
 537           const Type *NewTy =
 538             getUIntAtLeastAsBitAs(TD.getTypeSize(SubElt)*8+BitOffset);
 539           if (NewTy == 0 || MergeInType(NewTy, UsedType, TD)) return 0;
 540           continue;
 541         }
 542       } else if (GEP->getNumOperands() == 3 &&
 543                  isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(1)) &&
 544                  isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(2)) &&
 545                  cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue()) {
 546         // We are stepping into an element, e.g. a structure or an array:
 547         // GEP Ptr, int 0, uint C
 548         const Type *AggTy = PTy->getElementType();
 549         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
 550
 551         if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(AggTy)) {
 552           if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Out of range.
 553         } else if (const PackedType *PackedTy = dyn_cast<PackedType>(AggTy)) {
 554           // Getting an element of the packed vector.
 555           if (Idx >= PackedTy->getNumElements()) return 0;  // Out of range.
 556
 557           // Merge in the packed type.
 558           if (MergeInType(PackedTy, UsedType, TD)) return 0;
 559
 560           const Type *SubTy = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
 561           if (SubTy == 0) return 0;
 562
 563           if (SubTy != Type::VoidTy && MergeInType(SubTy, UsedType, TD))
 564             return 0;
 565
 566           // We'll need to change this to an insert/extract element operation.
 567           IsNotTrivial = true;
 568           continue;    // Everything looks ok
 569
 570         } else if (isa<StructType>(AggTy)) {
 571           // Structs are always ok.
 572         } else {
 573           return 0;
 574         }
 575         const Type *NTy = getUIntAtLeastAsBitAs(TD.getTypeSize(AggTy)*8);
 576         if (NTy == 0 || MergeInType(NTy, UsedType, TD)) return 0;
 577         const Type *SubTy = CanConvertToScalar(GEP, IsNotTrivial);
 578         if (SubTy == 0) return 0;
 579         if (SubTy != Type::VoidTy && MergeInType(SubTy, UsedType, TD))
 580           return 0;
 581         continue;    // Everything looks ok
 582       }
 583       return 0;
 584     } else {
 585       // Cannot handle this!
 586       return 0;
 587     }
 588   }
 589
 590   return UsedType;
 591 }
 592
 593 /// ConvertToScalar - The specified alloca passes the CanConvertToScalar
 594 /// predicate and is non-trivial.  Convert it to something that can be trivially
 595 /// promoted into a register by mem2reg.
 596 void SROA::ConvertToScalar(AllocationInst *AI, const Type *ActualTy) {
 597   DOUT << "CONVERT TO SCALAR: " << *AI << "  TYPE = "
 598        << *ActualTy << "\n";
 599   ++NumConverted;
 600
 601   BasicBlock *EntryBlock = AI->getParent();
 602   assert(EntryBlock == &EntryBlock->getParent()->front() &&
 603          "Not in the entry block!");
 604   EntryBlock->getInstList().remove(AI);  // Take the alloca out of the program.
 605
 606   if (ActualTy->isInteger())
 607     ActualTy = ActualTy->getUnsignedVersion();
 608
 609   // Create and insert the alloca.
 610   AllocaInst *NewAI = new AllocaInst(ActualTy, 0, AI->getName(),
 611                                      EntryBlock->begin());
 612   ConvertUsesToScalar(AI, NewAI, 0);
 613   delete AI;
 614 }
 615
 616
 617 /// ConvertUsesToScalar - Convert all of the users of Ptr to use the new alloca
 618 /// directly.  This happens when we are converting an "integer union" to a
 619 /// single integer scalar, or when we are converting a "vector union" to a
 620 /// vector with insert/extractelement instructions.
 621 ///
 622 /// Offset is an offset from the original alloca, in bits that need to be
 623 /// shifted to the right.  By the end of this, there should be no uses of Ptr.
 624 void SROA::ConvertUsesToScalar(Value *Ptr, AllocaInst *NewAI, unsigned Offset) {
 625   bool isVectorInsert = isa<PackedType>(NewAI->getType()->getElementType());
 626   const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 627   while (!Ptr->use_empty()) {
 628     Instruction *User = cast<Instruction>(Ptr->use_back());
 629
 630     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(User)) {
 631       // The load is a bit extract from NewAI shifted right by Offset bits.
 632       Value *NV = new LoadInst(NewAI, LI->getName(), LI);
 633       if (NV->getType() != LI->getType()) {
 634         if (const PackedType *PTy = dyn_cast<PackedType>(NV->getType())) {
 635           // If the result alloca is a packed type, this is either an element
 636           // access or a bitcast to another packed type.
 637           if (isa<PackedType>(LI->getType())) {
 638             NV = new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
 639           } else {
 640             // Must be an element access.
 641             unsigned Elt = Offset/(TD.getTypeSize(PTy->getElementType())*8);
 642             NV = new ExtractElementInst(NV, ConstantInt::get(Type::UIntTy, Elt),
 643                                         "tmp", LI);
 644           }
 645         } else if (isa<PointerType>(NV->getType())) {
 646           assert(isa<PointerType>(LI->getType()));
 647           // Must be ptr->ptr cast.  Anything else would result in NV being
 648           // an integer.
 649           NV = new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
 650         } else {
 651           assert(NV->getType()->isInteger() && "Unknown promotion!");
 652           if (Offset && Offset < TD.getTypeSize(NV->getType())*8) {
 653             NV = new ShiftInst(Instruction::LShr, NV,
 654                                ConstantInt::get(Type::UByteTy, Offset),
 655                                LI->getName(), LI);
 656           }
 657
 658           // If the result is an integer, this is a trunc or bitcast.
 659           if (LI->getType()->isIntegral()) {
 660             NV = CastInst::createTruncOrBitCast(NV, LI->getType(),
 661                                                 LI->getName(), LI);
 662           } else if (LI->getType()->isFloatingPoint()) {
 663             // If needed, truncate the integer to the appropriate size.
 664             if (NV->getType()->getPrimitiveSize() >
 665                 LI->getType()->getPrimitiveSize()) {
 666               switch (LI->getType()->getTypeID()) {
 667               default: assert(0 && "Unknown FP type!");
 668               case Type::FloatTyID:
 669                 NV = new TruncInst(NV, Type::UIntTy, LI->getName(), LI);
 670                 break;
 671               case Type::DoubleTyID:
 672                 NV = new TruncInst(NV, Type::ULongTy, LI->getName(), LI);
 673                 break;
 674               }
 675             }
 676
 677             // Then do a bitcast.
 678             NV = new BitCastInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
 679           } else {
 680             // Otherwise must be a pointer.
 681             NV = new IntToPtrInst(NV, LI->getType(), LI->getName(), LI);
 682           }
 683         }
 684       }
 685       LI->replaceAllUsesWith(NV);
 686       LI->eraseFromParent();
 687     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
 688       assert(SI->getOperand(0) != Ptr && "Consistency error!");
 689
 690       // Convert the stored type to the actual type, shift it left to insert
 691       // then 'or' into place.
 692       Value *SV = SI->getOperand(0);
 693       const Type *AllocaType = NewAI->getType()->getElementType();
 694       if (SV->getType() != AllocaType) {
 695         Value *Old = new LoadInst(NewAI, NewAI->getName()+".in", SI);
 696
 697         if (const PackedType *PTy = dyn_cast<PackedType>(AllocaType)) {
 698           // If the result alloca is a packed type, this is either an element
 699           // access or a bitcast to another packed type.
 700           if (isa<PackedType>(SV->getType())) {
 701             SV = new BitCastInst(SV, AllocaType, SV->getName(), SI);
 702           } else {
 703             // Must be an element insertion.
 704             unsigned Elt = Offset/(TD.getTypeSize(PTy->getElementType())*8);
 705             SV = new InsertElementInst(Old, SV,
 706                                        ConstantInt::get(Type::UIntTy, Elt),
 707                                        "tmp", SI);
 708           }
 709         } else {
 710           // If SV is a float, convert it to the appropriate integer type.
 711           // If it is a pointer, do the same, and also handle ptr->ptr casts
 712           // here.
 713           switch (SV->getType()->getTypeID()) {
 714           default:
 715             assert(!SV->getType()->isFloatingPoint() && "Unknown FP type!");
 716             break;
 717           case Type::FloatTyID:
 718             SV = new BitCastInst(SV, Type::UIntTy, SV->getName(), SI);
 719             break;
 720           case Type::DoubleTyID:
 721             SV = new BitCastInst(SV, Type::ULongTy, SV->getName(), SI);
 722             break;
 723           case Type::PointerTyID:
 724             if (isa<PointerType>(AllocaType))
 725               SV = new BitCastInst(SV, AllocaType, SV->getName(), SI);
 726             else
 727               SV = new PtrToIntInst(SV, TD.getIntPtrType(), SV->getName(), SI);
 728             break;
 729           }
 730
 731           unsigned SrcSize = TD.getTypeSize(SV->getType())*8;
 732
 733           // Always zero extend the value if needed.
 734           if (SV->getType() != AllocaType)
 735             SV = CastInst::createZExtOrBitCast(SV, AllocaType,
 736                                                SV->getName(), SI);
 737           if (Offset && Offset < AllocaType->getPrimitiveSizeInBits())
 738             SV = new ShiftInst(Instruction::Shl, SV,
 739                                ConstantInt::get(Type::UByteTy, Offset),
 740                                SV->getName()+".adj", SI);
 741           // Mask out the bits we are about to insert from the old value.
 742           unsigned TotalBits = TD.getTypeSize(SV->getType())*8;
 743           if (TotalBits != SrcSize) {
 744             assert(TotalBits > SrcSize);
 745             uint64_t Mask = ~(((1ULL << SrcSize)-1) << Offset);
 746             Mask = Mask & SV->getType()->getIntegralTypeMask();
 747             Old = BinaryOperator::createAnd(Old,
 748                                         ConstantInt::get(Old->getType(), Mask),
 749                                             Old->getName()+".mask", SI);
 750             SV = BinaryOperator::createOr(Old, SV, SV->getName()+".ins", SI);
 751           }
 752         }
 753       }
 754       new StoreInst(SV, NewAI, SI);
 755       SI->eraseFromParent();
 756
 757     } else if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(User)) {
 758       unsigned NewOff = Offset;
 759       const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 760       if (TD.isBigEndian() && !isVectorInsert) {
 761         // Adjust the pointer.  For example, storing 16-bits into a 32-bit
 762         // alloca with just a cast makes it modify the top 16-bits.
 763         const Type *SrcTy = cast<PointerType>(Ptr->getType())->getElementType();
 764         const Type *DstTy = cast<PointerType>(CI->getType())->getElementType();
 765         int PtrDiffBits = TD.getTypeSize(SrcTy)*8-TD.getTypeSize(DstTy)*8;
 766         NewOff += PtrDiffBits;
 767       }
 768       ConvertUsesToScalar(CI, NewAI, NewOff);
 769       CI->eraseFromParent();
 770     } else if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(User)) {
 771       const PointerType *AggPtrTy =
 772         cast<PointerType>(GEP->getOperand(0)->getType());
 773       const TargetData &TD = getAnalysis<TargetData>();
 774       unsigned AggSizeInBits = TD.getTypeSize(AggPtrTy->getElementType())*8;
 775
 776       // Check to see if this is stepping over an element: GEP Ptr, int C
 777       unsigned NewOffset = Offset;
 778       if (GEP->getNumOperands() == 2) {
 779         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(1))->getZExtValue();
 780         unsigned BitOffset = Idx*AggSizeInBits;
 781
 782         if (TD.isLittleEndian() || isVectorInsert)
 783           NewOffset += BitOffset;
 784         else
 785           NewOffset -= BitOffset;
 786
 787       } else if (GEP->getNumOperands() == 3) {
 788         // We know that operand #2 is zero.
 789         unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(2))->getZExtValue();
 790         const Type *AggTy = AggPtrTy->getElementType();
 791         if (const SequentialType *SeqTy = dyn_cast<SequentialType>(AggTy)) {
 792           unsigned ElSizeBits = TD.getTypeSize(SeqTy->getElementType())*8;
 793
 794           if (TD.isLittleEndian() || isVectorInsert)
 795             NewOffset += ElSizeBits*Idx;
 796           else
 797             NewOffset += AggSizeInBits-ElSizeBits*(Idx+1);
 798         } else if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(AggTy)) {
 799           unsigned EltBitOffset = TD.getStructLayout(STy)->MemberOffsets[Idx]*8;
 800
 801           if (TD.isLittleEndian() || isVectorInsert)
 802             NewOffset += EltBitOffset;
 803           else {
 804             const PointerType *ElPtrTy = cast<PointerType>(GEP->getType());
 805             unsigned ElSizeBits = TD.getTypeSize(ElPtrTy->getElementType())*8;
 806             NewOffset += AggSizeInBits-(EltBitOffset+ElSizeBits);
 807           }
 808
 809         } else {
 810           assert(0 && "Unsupported operation!");
 811           abort();
 812         }
 813       } else {
 814         assert(0 && "Unsupported operation!");
 815         abort();
 816       }
 817       ConvertUsesToScalar(GEP, NewAI, NewOffset);
 818       GEP->eraseFromParent();
 819     } else {
 820       assert(0 && "Unsupported operation!");
 821       abort();
 822     }
 823   }
 824 }