Fix tail recursion elimination
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailRecursionElimination.cpp
1 //===- TailRecursionElimination.cpp - Eliminate Tail Calls ----------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file transforms calls of the current function (self recursion) followed
11 // by a return instruction with a branch to the entry of the function, creating
12 // a loop.  This pass also implements the following extensions to the basic
13 // algorithm:
14 //
15 //  1. Trivial instructions between the call and return do not prevent the
16 //     transformation from taking place, though currently the analysis cannot
17 //     support moving any really useful instructions (only dead ones).
18 //  2. This pass transforms functions that are prevented from being tail
19 //     recursive by an associative and commutative expression to use an
20 //     accumulator variable, thus compiling the typical naive factorial or
21 //     'fib' implementation into efficient code.
22 //  3. TRE is performed if the function returns void, if the return
23 //     returns the result returned by the call, or if the function returns a
24 //     run-time constant on all exits from the function.  It is possible, though
25 //     unlikely, that the return returns something else (like constant 0), and
26 //     can still be TRE'd.  It can be TRE'd if ALL OTHER return instructions in
27 //     the function return the exact same value.
28 //  4. If it can prove that callees do not access their caller stack frame,
29 //     they are marked as eligible for tail call elimination (by the code
30 //     generator).
31 //
32 // There are several improvements that could be made:
33 //
34 //  1. If the function has any alloca instructions, these instructions will be
35 //     moved out of the entry block of the function, causing them to be
36 //     evaluated each time through the tail recursion.  Safely keeping allocas
37 //     in the entry block requires analysis to proves that the tail-called
38 //     function does not read or write the stack object.
39 //  2. Tail recursion is only performed if the call immediately precedes the
40 //     return instruction.  It's possible that there could be a jump between
41 //     the call and the return.
42 //  3. There can be intervening operations between the call and the return that
43 //     prevent the TRE from occurring.  For example, there could be GEP's and
44 //     stores to memory that will not be read or written by the call.  This
45 //     requires some substantial analysis (such as with DSA) to prove safe to
46 //     move ahead of the call, but doing so could allow many more TREs to be
47 //     performed, for example in TreeAdd/TreeAlloc from the treeadd benchmark.
48 //  4. The algorithm we use to detect if callees access their caller stack
49 //     frames is very primitive.
50 //
51 //===----------------------------------------------------------------------===//
52
53 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
54 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
55 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
56 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
57 #include "llvm/Analysis/CaptureTracking.h"
58 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
59 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
60 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
61 #include "llvm/Analysis/Loads.h"
62 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
63 #include "llvm/IR/CFG.h"
64 #include "llvm/IR/CallSite.h"
65 #include "llvm/IR/Constants.h"
66 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
67 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
68 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
69 #include "llvm/IR/Function.h"
70 #include "llvm/IR/Instructions.h"
71 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
72 #include "llvm/IR/Module.h"
73 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
74 #include "llvm/Pass.h"
75 #include "llvm/Support/Debug.h"
76 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
77 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
78 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
79 using namespace llvm;
80
81 #define DEBUG_TYPE "tailcallelim"
82
83 STATISTIC(NumEliminated, "Number of tail calls removed");
84 STATISTIC(NumRetDuped,   "Number of return duplicated");
85 STATISTIC(NumAccumAdded, "Number of accumulators introduced");
86
87 namespace {
88   struct TailCallElim : public FunctionPass {
89     const TargetTransformInfo *TTI;
90     const DataLayout *DL;
91
92     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
93     TailCallElim() : FunctionPass(ID) {
94       initializeTailCallElimPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
95     }
96
97     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
98
99     bool runOnFunction(Function &F) override;
100
101   private:
102     bool runTRE(Function &F);
103     bool markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls);
104
105     CallInst *FindTRECandidate(Instruction *I,
106                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
107     bool EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
108                                     BasicBlock *&OldEntry,
109                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
110                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
111                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
112     bool FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
113                                   ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
114                                   bool &TailCallsAreMarkedTail,
115                                   SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
116                                   bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
117     bool ProcessReturningBlock(ReturnInst *RI, BasicBlock *&OldEntry,
118                                bool &TailCallsAreMarkedTail,
119                                SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
120                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
121     bool CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI);
122     Value *CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I, CallInst *CI);
123   };
124 }
125
126 char TailCallElim::ID = 0;
127 INITIALIZE_PASS_BEGIN(TailCallElim, "tailcallelim",
128                       "Tail Call Elimination", false, false)
129 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
130 INITIALIZE_PASS_END(TailCallElim, "tailcallelim",
131                     "Tail Call Elimination", false, false)
132
133 // Public interface to the TailCallElimination pass
134 FunctionPass *llvm::createTailCallEliminationPass() {
135   return new TailCallElim();
136 }
137
138 void TailCallElim::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
139   AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
140 }
141
142 /// \brief Scan the specified function for alloca instructions.
143 /// If it contains any dynamic allocas, returns false.
144 static bool CanTRE(Function &F) {
145   // Because of PR962, we don't TRE dynamic allocas.
146   for (auto &BB : F) {
147     for (auto &I : BB) {
148       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I)) {
149         if (!AI->isStaticAlloca())
150           return false;
151       }
152     }
153   }
154
155   return true;
156 }
157
158 bool TailCallElim::runOnFunction(Function &F) {
159   if (skipOptnoneFunction(F))
160     return false;
161
162   DL = F.getParent()->getDataLayout();
163
164   bool AllCallsAreTailCalls = false;
165   bool Modified = markTails(F, AllCallsAreTailCalls);
166   if (AllCallsAreTailCalls)
167     Modified |= runTRE(F);
168   return Modified;
169 }
170
171 namespace {
172 struct AllocaDerivedValueTracker {
173   // Start at a root value and walk its use-def chain to mark calls that use the
174   // value or a derived value in AllocaUsers, and places where it may escape in
175   // EscapePoints.
176   void walk(Value *Root) {
177     SmallVector<Use *, 32> Worklist;
178     SmallPtrSet<Use *, 32> Visited;
179
180     auto AddUsesToWorklist = [&](Value *V) {
181       for (auto &U : V->uses()) {
182         if (!Visited.insert(&U).second)
183           continue;
184         Worklist.push_back(&U);
185       }
186     };
187
188     AddUsesToWorklist(Root);
189
190     while (!Worklist.empty()) {
191       Use *U = Worklist.pop_back_val();
192       Instruction *I = cast<Instruction>(U->getUser());
193
194       switch (I->getOpcode()) {
195       case Instruction::Call:
196       case Instruction::Invoke: {
197         CallSite CS(I);
198         bool IsNocapture = !CS.isCallee(U) &&
199                            CS.doesNotCapture(CS.getArgumentNo(U));
200         callUsesLocalStack(CS, IsNocapture);
201         if (IsNocapture) {
202           // If the alloca-derived argument is passed in as nocapture, then it
203           // can't propagate to the call's return. That would be capturing.
204           continue;
205         }
206         break;
207       }
208       case Instruction::Load: {
209         // The result of a load is not alloca-derived (unless an alloca has
210         // otherwise escaped, but this is a local analysis).
211         continue;
212       }
213       case Instruction::Store: {
214         if (U->getOperandNo() == 0)
215           EscapePoints.insert(I);
216         continue;  // Stores have no users to analyze.
217       }
218       case Instruction::BitCast:
219       case Instruction::GetElementPtr:
220       case Instruction::PHI:
221       case Instruction::Select:
222       case Instruction::AddrSpaceCast:
223         break;
224       default:
225         EscapePoints.insert(I);
226         break;
227       }
228
229       AddUsesToWorklist(I);
230     }
231   }
232
233   void callUsesLocalStack(CallSite CS, bool IsNocapture) {
234     // Add it to the list of alloca users.
235     AllocaUsers.insert(CS.getInstruction());
236
237     // If it's nocapture then it can't capture this alloca.
238     if (IsNocapture)
239       return;
240
241     // If it can write to memory, it can leak the alloca value.
242     if (!CS.onlyReadsMemory())
243       EscapePoints.insert(CS.getInstruction());
244   }
245
246   SmallPtrSet<Instruction *, 32> AllocaUsers;
247   SmallPtrSet<Instruction *, 32> EscapePoints;
248 };
249 }
250
251 bool TailCallElim::markTails(Function &F, bool &AllCallsAreTailCalls) {
252   if (F.callsFunctionThatReturnsTwice())
253     return false;
254   AllCallsAreTailCalls = true;
255
256   // The local stack holds all alloca instructions and all byval arguments.
257   AllocaDerivedValueTracker Tracker;
258   for (Argument &Arg : F.args()) {
259     if (Arg.hasByValAttr())
260       Tracker.walk(&Arg);
261   }
262   for (auto &BB : F) {
263     for (auto &I : BB)
264       if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(&I))
265         Tracker.walk(AI);
266   }
267
268   bool Modified = false;
269
270   // Track whether a block is reachable after an alloca has escaped. Blocks that
271   // contain the escaping instruction will be marked as being visited without an
272   // escaped alloca, since that is how the block began.
273   enum VisitType {
274     UNVISITED,
275     UNESCAPED,
276     ESCAPED
277   };
278   DenseMap<BasicBlock *, VisitType> Visited;
279
280   // We propagate the fact that an alloca has escaped from block to successor.
281   // Visit the blocks that are propagating the escapedness first. To do this, we
282   // maintain two worklists.
283   SmallVector<BasicBlock *, 32> WorklistUnescaped, WorklistEscaped;
284
285   // We may enter a block and visit it thinking that no alloca has escaped yet,
286   // then see an escape point and go back around a loop edge and come back to
287   // the same block twice. Because of this, we defer setting tail on calls when
288   // we first encounter them in a block. Every entry in this list does not
289   // statically use an alloca via use-def chain analysis, but may find an alloca
290   // through other means if the block turns out to be reachable after an escape
291   // point.
292   SmallVector<CallInst *, 32> DeferredTails;
293
294   BasicBlock *BB = &F.getEntryBlock();
295   VisitType Escaped = UNESCAPED;
296   do {
297     for (auto &I : *BB) {
298       if (Tracker.EscapePoints.count(&I))
299         Escaped = ESCAPED;
300
301       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
302       if (!CI || CI->isTailCall())
303         continue;
304
305       if (CI->doesNotAccessMemory()) {
306         // A call to a readnone function whose arguments are all things computed
307         // outside this function can be marked tail. Even if you stored the
308         // alloca address into a global, a readnone function can't load the
309         // global anyhow.
310         //
311         // Note that this runs whether we know an alloca has escaped or not. If
312         // it has, then we can't trust Tracker.AllocaUsers to be accurate.
313         bool SafeToTail = true;
314         for (auto &Arg : CI->arg_operands()) {
315           if (isa<Constant>(Arg.getUser()))
316             continue;
317           if (Argument *A = dyn_cast<Argument>(Arg.getUser()))
318             if (!A->hasByValAttr())
319               continue;
320           SafeToTail = false;
321           break;
322         }
323         if (SafeToTail) {
324           emitOptimizationRemark(
325               F.getContext(), "tailcallelim", F, CI->getDebugLoc(),
326               "marked this readnone call a tail call candidate");
327           CI->setTailCall();
328           Modified = true;
329           continue;
330         }
331       }
332
333       if (Escaped == UNESCAPED && !Tracker.AllocaUsers.count(CI)) {
334         DeferredTails.push_back(CI);
335       } else {
336         AllCallsAreTailCalls = false;
337       }
338     }
339
340     for (auto *SuccBB : make_range(succ_begin(BB), succ_end(BB))) {
341       auto &State = Visited[SuccBB];
342       if (State < Escaped) {
343         State = Escaped;
344         if (State == ESCAPED)
345           WorklistEscaped.push_back(SuccBB);
346         else
347           WorklistUnescaped.push_back(SuccBB);
348       }
349     }
350
351     if (!WorklistEscaped.empty()) {
352       BB = WorklistEscaped.pop_back_val();
353       Escaped = ESCAPED;
354     } else {
355       BB = nullptr;
356       while (!WorklistUnescaped.empty()) {
357         auto *NextBB = WorklistUnescaped.pop_back_val();
358         if (Visited[NextBB] == UNESCAPED) {
359           BB = NextBB;
360           Escaped = UNESCAPED;
361           break;
362         }
363       }
364     }
365   } while (BB);
366
367   for (CallInst *CI : DeferredTails) {
368     if (Visited[CI->getParent()] != ESCAPED) {
369       // If the escape point was part way through the block, calls after the
370       // escape point wouldn't have been put into DeferredTails.
371       emitOptimizationRemark(F.getContext(), "tailcallelim", F,
372                              CI->getDebugLoc(),
373                              "marked this call a tail call candidate");
374       CI->setTailCall();
375       Modified = true;
376     } else {
377       AllCallsAreTailCalls = false;
378     }
379   }
380
381   return Modified;
382 }
383
384 bool TailCallElim::runTRE(Function &F) {
385   // If this function is a varargs function, we won't be able to PHI the args
386   // right, so don't even try to convert it...
387   if (F.getFunctionType()->isVarArg()) return false;
388
389   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
390   BasicBlock *OldEntry = nullptr;
391   bool TailCallsAreMarkedTail = false;
392   SmallVector<PHINode*, 8> ArgumentPHIs;
393   bool MadeChange = false;
394
395   // CanTRETailMarkedCall - If false, we cannot perform TRE on tail calls
396   // marked with the 'tail' attribute, because doing so would cause the stack
397   // size to increase (real TRE would deallocate variable sized allocas, TRE
398   // doesn't).
399   bool CanTRETailMarkedCall = CanTRE(F);
400
401   // Change any tail recursive calls to loops.
402   //
403   // FIXME: The code generator produces really bad code when an 'escaping
404   // alloca' is changed from being a static alloca to being a dynamic alloca.
405   // Until this is resolved, disable this transformation if that would ever
406   // happen.  This bug is PR962.
407   SmallVector<BasicBlock*, 8> BBToErase;
408   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
409     if (ReturnInst *Ret = dyn_cast<ReturnInst>(BB->getTerminator())) {
410       bool Change = ProcessReturningBlock(Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
411                                           ArgumentPHIs, !CanTRETailMarkedCall);
412       if (!Change && BB->getFirstNonPHIOrDbg() == Ret) {
413         Change = FoldReturnAndProcessPred(BB, Ret, OldEntry,
414                                           TailCallsAreMarkedTail, ArgumentPHIs,
415                                           !CanTRETailMarkedCall);
416         // FoldReturnAndProcessPred may have emptied some BB. Remember to
417         // erase them.
418         if (Change && BB->empty())
419           BBToErase.push_back(BB);
420
421       }
422       MadeChange |= Change;
423     }
424   }
425
426   for (auto BB: BBToErase)
427     BB->eraseFromParent();
428
429   // If we eliminated any tail recursions, it's possible that we inserted some
430   // silly PHI nodes which just merge an initial value (the incoming operand)
431   // with themselves.  Check to see if we did and clean up our mess if so.  This
432   // occurs when a function passes an argument straight through to its tail
433   // call.
434   for (unsigned i = 0, e = ArgumentPHIs.size(); i != e; ++i) {
435     PHINode *PN = ArgumentPHIs[i];
436
437     // If the PHI Node is a dynamic constant, replace it with the value it is.
438     if (Value *PNV = SimplifyInstruction(PN)) {
439       PN->replaceAllUsesWith(PNV);
440       PN->eraseFromParent();
441     }
442   }
443
444   return MadeChange;
445 }
446
447
448 /// CanMoveAboveCall - Return true if it is safe to move the specified
449 /// instruction from after the call to before the call, assuming that all
450 /// instructions between the call and this instruction are movable.
451 ///
452 bool TailCallElim::CanMoveAboveCall(Instruction *I, CallInst *CI) {
453   // FIXME: We can move load/store/call/free instructions above the call if the
454   // call does not mod/ref the memory location being processed.
455   if (I->mayHaveSideEffects())  // This also handles volatile loads.
456     return false;
457
458   if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
459     // Loads may always be moved above calls without side effects.
460     if (CI->mayHaveSideEffects()) {
461       // Non-volatile loads may be moved above a call with side effects if it
462       // does not write to memory and the load provably won't trap.
463       // FIXME: Writes to memory only matter if they may alias the pointer
464       // being loaded from.
465       if (CI->mayWriteToMemory() ||
466           !isSafeToLoadUnconditionally(L->getPointerOperand(), L,
467                                        L->getAlignment(), DL))
468         return false;
469     }
470   }
471
472   // Otherwise, if this is a side-effect free instruction, check to make sure
473   // that it does not use the return value of the call.  If it doesn't use the
474   // return value of the call, it must only use things that are defined before
475   // the call, or movable instructions between the call and the instruction
476   // itself.
477   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
478     if (I->getOperand(i) == CI)
479       return false;
480   return true;
481 }
482
483 // isDynamicConstant - Return true if the specified value is the same when the
484 // return would exit as it was when the initial iteration of the recursive
485 // function was executed.
486 //
487 // We currently handle static constants and arguments that are not modified as
488 // part of the recursion.
489 //
490 static bool isDynamicConstant(Value *V, CallInst *CI, ReturnInst *RI) {
491   if (isa<Constant>(V)) return true; // Static constants are always dyn consts
492
493   // Check to see if this is an immutable argument, if so, the value
494   // will be available to initialize the accumulator.
495   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
496     // Figure out which argument number this is...
497     unsigned ArgNo = 0;
498     Function *F = CI->getParent()->getParent();
499     for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); &*AI != Arg; ++AI)
500       ++ArgNo;
501
502     // If we are passing this argument into call as the corresponding
503     // argument operand, then the argument is dynamically constant.
504     // Otherwise, we cannot transform this function safely.
505     if (CI->getArgOperand(ArgNo) == Arg)
506       return true;
507   }
508
509   // Switch cases are always constant integers. If the value is being switched
510   // on and the return is only reachable from one of its cases, it's
511   // effectively constant.
512   if (BasicBlock *UniquePred = RI->getParent()->getUniquePredecessor())
513     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(UniquePred->getTerminator()))
514       if (SI->getCondition() == V)
515         return SI->getDefaultDest() != RI->getParent();
516
517   // Not a constant or immutable argument, we can't safely transform.
518   return false;
519 }
520
521 // getCommonReturnValue - Check to see if the function containing the specified
522 // tail call consistently returns the same runtime-constant value at all exit
523 // points except for IgnoreRI.  If so, return the returned value.
524 //
525 static Value *getCommonReturnValue(ReturnInst *IgnoreRI, CallInst *CI) {
526   Function *F = CI->getParent()->getParent();
527   Value *ReturnedValue = nullptr;
528
529   for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI) {
530     ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator());
531     if (RI == nullptr || RI == IgnoreRI) continue;
532
533     // We can only perform this transformation if the value returned is
534     // evaluatable at the start of the initial invocation of the function,
535     // instead of at the end of the evaluation.
536     //
537     Value *RetOp = RI->getOperand(0);
538     if (!isDynamicConstant(RetOp, CI, RI))
539       return nullptr;
540
541     if (ReturnedValue && RetOp != ReturnedValue)
542       return nullptr;     // Cannot transform if differing values are returned.
543     ReturnedValue = RetOp;
544   }
545   return ReturnedValue;
546 }
547
548 /// CanTransformAccumulatorRecursion - If the specified instruction can be
549 /// transformed using accumulator recursion elimination, return the constant
550 /// which is the start of the accumulator value.  Otherwise return null.
551 ///
552 Value *TailCallElim::CanTransformAccumulatorRecursion(Instruction *I,
553                                                       CallInst *CI) {
554   if (!I->isAssociative() || !I->isCommutative()) return nullptr;
555   assert(I->getNumOperands() == 2 &&
556          "Associative/commutative operations should have 2 args!");
557
558   // Exactly one operand should be the result of the call instruction.
559   if ((I->getOperand(0) == CI && I->getOperand(1) == CI) ||
560       (I->getOperand(0) != CI && I->getOperand(1) != CI))
561     return nullptr;
562
563   // The only user of this instruction we allow is a single return instruction.
564   if (!I->hasOneUse() || !isa<ReturnInst>(I->user_back()))
565     return nullptr;
566
567   // Ok, now we have to check all of the other return instructions in this
568   // function.  If they return non-constants or differing values, then we cannot
569   // transform the function safely.
570   return getCommonReturnValue(cast<ReturnInst>(I->user_back()), CI);
571 }
572
573 static Instruction *FirstNonDbg(BasicBlock::iterator I) {
574   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
575     ++I;
576   return &*I;
577 }
578
579 CallInst*
580 TailCallElim::FindTRECandidate(Instruction *TI,
581                                bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
582   BasicBlock *BB = TI->getParent();
583   Function *F = BB->getParent();
584
585   if (&BB->front() == TI) // Make sure there is something before the terminator.
586     return nullptr;
587
588   // Scan backwards from the return, checking to see if there is a tail call in
589   // this block.  If so, set CI to it.
590   CallInst *CI = nullptr;
591   BasicBlock::iterator BBI = TI;
592   while (true) {
593     CI = dyn_cast<CallInst>(BBI);
594     if (CI && CI->getCalledFunction() == F)
595       break;
596
597     if (BBI == BB->begin())
598       return nullptr;          // Didn't find a potential tail call.
599     --BBI;
600   }
601
602   // If this call is marked as a tail call, and if there are dynamic allocas in
603   // the function, we cannot perform this optimization.
604   if (CI->isTailCall() && CannotTailCallElimCallsMarkedTail)
605     return nullptr;
606
607   // As a special case, detect code like this:
608   //   double fabs(double f) { return __builtin_fabs(f); } // a 'fabs' call
609   // and disable this xform in this case, because the code generator will
610   // lower the call to fabs into inline code.
611   if (BB == &F->getEntryBlock() &&
612       FirstNonDbg(BB->front()) == CI &&
613       FirstNonDbg(std::next(BB->begin())) == TI &&
614       CI->getCalledFunction() &&
615       !TTI->isLoweredToCall(CI->getCalledFunction())) {
616     // A single-block function with just a call and a return. Check that
617     // the arguments match.
618     CallSite::arg_iterator I = CallSite(CI).arg_begin(),
619                            E = CallSite(CI).arg_end();
620     Function::arg_iterator FI = F->arg_begin(),
621                            FE = F->arg_end();
622     for (; I != E && FI != FE; ++I, ++FI)
623       if (*I != &*FI) break;
624     if (I == E && FI == FE)
625       return nullptr;
626   }
627
628   return CI;
629 }
630
631 bool TailCallElim::EliminateRecursiveTailCall(CallInst *CI, ReturnInst *Ret,
632                                        BasicBlock *&OldEntry,
633                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
634                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
635                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
636   // If we are introducing accumulator recursion to eliminate operations after
637   // the call instruction that are both associative and commutative, the initial
638   // value for the accumulator is placed in this variable.  If this value is set
639   // then we actually perform accumulator recursion elimination instead of
640   // simple tail recursion elimination.  If the operation is an LLVM instruction
641   // (eg: "add") then it is recorded in AccumulatorRecursionInstr.  If not, then
642   // we are handling the case when the return instruction returns a constant C
643   // which is different to the constant returned by other return instructions
644   // (which is recorded in AccumulatorRecursionEliminationInitVal).  This is a
645   // special case of accumulator recursion, the operation being "return C".
646   Value *AccumulatorRecursionEliminationInitVal = nullptr;
647   Instruction *AccumulatorRecursionInstr = nullptr;
648
649   // Ok, we found a potential tail call.  We can currently only transform the
650   // tail call if all of the instructions between the call and the return are
651   // movable to above the call itself, leaving the call next to the return.
652   // Check that this is the case now.
653   BasicBlock::iterator BBI = CI;
654   for (++BBI; &*BBI != Ret; ++BBI) {
655     if (CanMoveAboveCall(BBI, CI)) continue;
656
657     // If we can't move the instruction above the call, it might be because it
658     // is an associative and commutative operation that could be transformed
659     // using accumulator recursion elimination.  Check to see if this is the
660     // case, and if so, remember the initial accumulator value for later.
661     if ((AccumulatorRecursionEliminationInitVal =
662                            CanTransformAccumulatorRecursion(BBI, CI))) {
663       // Yes, this is accumulator recursion.  Remember which instruction
664       // accumulates.
665       AccumulatorRecursionInstr = BBI;
666     } else {
667       return false;   // Otherwise, we cannot eliminate the tail recursion!
668     }
669   }
670
671   // We can only transform call/return pairs that either ignore the return value
672   // of the call and return void, ignore the value of the call and return a
673   // constant, return the value returned by the tail call, or that are being
674   // accumulator recursion variable eliminated.
675   if (Ret->getNumOperands() == 1 && Ret->getReturnValue() != CI &&
676       !isa<UndefValue>(Ret->getReturnValue()) &&
677       AccumulatorRecursionEliminationInitVal == nullptr &&
678       !getCommonReturnValue(nullptr, CI)) {
679     // One case remains that we are able to handle: the current return
680     // instruction returns a constant, and all other return instructions
681     // return a different constant.
682     if (!isDynamicConstant(Ret->getReturnValue(), CI, Ret))
683       return false; // Current return instruction does not return a constant.
684     // Check that all other return instructions return a common constant.  If
685     // so, record it in AccumulatorRecursionEliminationInitVal.
686     AccumulatorRecursionEliminationInitVal = getCommonReturnValue(Ret, CI);
687     if (!AccumulatorRecursionEliminationInitVal)
688       return false;
689   }
690
691   BasicBlock *BB = Ret->getParent();
692   Function *F = BB->getParent();
693
694   emitOptimizationRemark(F->getContext(), "tailcallelim", *F, CI->getDebugLoc(),
695                          "transforming tail recursion to loop");
696
697   // OK! We can transform this tail call.  If this is the first one found,
698   // create the new entry block, allowing us to branch back to the old entry.
699   if (!OldEntry) {
700     OldEntry = &F->getEntryBlock();
701     BasicBlock *NewEntry = BasicBlock::Create(F->getContext(), "", F, OldEntry);
702     NewEntry->takeName(OldEntry);
703     OldEntry->setName("tailrecurse");
704     BranchInst::Create(OldEntry, NewEntry);
705
706     // If this tail call is marked 'tail' and if there are any allocas in the
707     // entry block, move them up to the new entry block.
708     TailCallsAreMarkedTail = CI->isTailCall();
709     if (TailCallsAreMarkedTail)
710       // Move all fixed sized allocas from OldEntry to NewEntry.
711       for (BasicBlock::iterator OEBI = OldEntry->begin(), E = OldEntry->end(),
712              NEBI = NewEntry->begin(); OEBI != E; )
713         if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(OEBI++))
714           if (isa<ConstantInt>(AI->getArraySize()))
715             AI->moveBefore(NEBI);
716
717     // Now that we have created a new block, which jumps to the entry
718     // block, insert a PHI node for each argument of the function.
719     // For now, we initialize each PHI to only have the real arguments
720     // which are passed in.
721     Instruction *InsertPos = OldEntry->begin();
722     for (Function::arg_iterator I = F->arg_begin(), E = F->arg_end();
723          I != E; ++I) {
724       PHINode *PN = PHINode::Create(I->getType(), 2,
725                                     I->getName() + ".tr", InsertPos);
726       I->replaceAllUsesWith(PN); // Everyone use the PHI node now!
727       PN->addIncoming(I, NewEntry);
728       ArgumentPHIs.push_back(PN);
729     }
730   }
731
732   // If this function has self recursive calls in the tail position where some
733   // are marked tail and some are not, only transform one flavor or another.  We
734   // have to choose whether we move allocas in the entry block to the new entry
735   // block or not, so we can't make a good choice for both.  NOTE: We could do
736   // slightly better here in the case that the function has no entry block
737   // allocas.
738   if (TailCallsAreMarkedTail && !CI->isTailCall())
739     return false;
740
741   // Ok, now that we know we have a pseudo-entry block WITH all of the
742   // required PHI nodes, add entries into the PHI node for the actual
743   // parameters passed into the tail-recursive call.
744   for (unsigned i = 0, e = CI->getNumArgOperands(); i != e; ++i)
745     ArgumentPHIs[i]->addIncoming(CI->getArgOperand(i), BB);
746
747   // If we are introducing an accumulator variable to eliminate the recursion,
748   // do so now.  Note that we _know_ that no subsequent tail recursion
749   // eliminations will happen on this function because of the way the
750   // accumulator recursion predicate is set up.
751   //
752   if (AccumulatorRecursionEliminationInitVal) {
753     Instruction *AccRecInstr = AccumulatorRecursionInstr;
754     // Start by inserting a new PHI node for the accumulator.
755     pred_iterator PB = pred_begin(OldEntry), PE = pred_end(OldEntry);
756     PHINode *AccPN =
757       PHINode::Create(AccumulatorRecursionEliminationInitVal->getType(),
758                       std::distance(PB, PE) + 1,
759                       "accumulator.tr", OldEntry->begin());
760
761     // Loop over all of the predecessors of the tail recursion block.  For the
762     // real entry into the function we seed the PHI with the initial value,
763     // computed earlier.  For any other existing branches to this block (due to
764     // other tail recursions eliminated) the accumulator is not modified.
765     // Because we haven't added the branch in the current block to OldEntry yet,
766     // it will not show up as a predecessor.
767     for (pred_iterator PI = PB; PI != PE; ++PI) {
768       BasicBlock *P = *PI;
769       if (P == &F->getEntryBlock())
770         AccPN->addIncoming(AccumulatorRecursionEliminationInitVal, P);
771       else
772         AccPN->addIncoming(AccPN, P);
773     }
774
775     if (AccRecInstr) {
776       // Add an incoming argument for the current block, which is computed by
777       // our associative and commutative accumulator instruction.
778       AccPN->addIncoming(AccRecInstr, BB);
779
780       // Next, rewrite the accumulator recursion instruction so that it does not
781       // use the result of the call anymore, instead, use the PHI node we just
782       // inserted.
783       AccRecInstr->setOperand(AccRecInstr->getOperand(0) != CI, AccPN);
784     } else {
785       // Add an incoming argument for the current block, which is just the
786       // constant returned by the current return instruction.
787       AccPN->addIncoming(Ret->getReturnValue(), BB);
788     }
789
790     // Finally, rewrite any return instructions in the program to return the PHI
791     // node instead of the "initval" that they do currently.  This loop will
792     // actually rewrite the return value we are destroying, but that's ok.
793     for (Function::iterator BBI = F->begin(), E = F->end(); BBI != E; ++BBI)
794       if (ReturnInst *RI = dyn_cast<ReturnInst>(BBI->getTerminator()))
795         RI->setOperand(0, AccPN);
796     ++NumAccumAdded;
797   }
798
799   // Now that all of the PHI nodes are in place, remove the call and
800   // ret instructions, replacing them with an unconditional branch.
801   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(OldEntry, Ret);
802   NewBI->setDebugLoc(CI->getDebugLoc());
803
804   BB->getInstList().erase(Ret);  // Remove return.
805   BB->getInstList().erase(CI);   // Remove call.
806   ++NumEliminated;
807   return true;
808 }
809
810 bool TailCallElim::FoldReturnAndProcessPred(BasicBlock *BB,
811                                        ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
812                                        bool &TailCallsAreMarkedTail,
813                                        SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
814                                        bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
815   bool Change = false;
816
817   // If the return block contains nothing but the return and PHI's,
818   // there might be an opportunity to duplicate the return in its
819   // predecessors and perform TRC there. Look for predecessors that end
820   // in unconditional branch and recursive call(s).
821   SmallVector<BranchInst*, 8> UncondBranchPreds;
822   for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
823     BasicBlock *Pred = *PI;
824     TerminatorInst *PTI = Pred->getTerminator();
825     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(PTI))
826       if (BI->isUnconditional())
827         UncondBranchPreds.push_back(BI);
828   }
829
830   while (!UncondBranchPreds.empty()) {
831     BranchInst *BI = UncondBranchPreds.pop_back_val();
832     BasicBlock *Pred = BI->getParent();
833     if (CallInst *CI = FindTRECandidate(BI, CannotTailCallElimCallsMarkedTail)){
834       DEBUG(dbgs() << "FOLDING: " << *BB
835             << "INTO UNCOND BRANCH PRED: " << *Pred);
836       ReturnInst *RI = FoldReturnIntoUncondBranch(Ret, BB, Pred);
837
838       // Cleanup: if all predecessors of BB have been eliminated by
839       // FoldReturnIntoUncondBranch, we would like to delete it, but we
840       // can not just nuke it as it is being used as an iterator by our caller.
841       // Just empty it, and the caller will erase it when it is safe to do so.
842       // It is important to empty it, because the ret instruction in there is
843       // still using a value which EliminateRecursiveTailCall will attempt
844       // to remove.
845       if (!BB->hasAddressTaken() && pred_begin(BB) == pred_end(BB))
846         BB->getInstList().clear();
847
848       EliminateRecursiveTailCall(CI, RI, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
849                                  ArgumentPHIs,
850                                  CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
851       ++NumRetDuped;
852       Change = true;
853     }
854   }
855
856   return Change;
857 }
858
859 bool
860 TailCallElim::ProcessReturningBlock(ReturnInst *Ret, BasicBlock *&OldEntry,
861                                     bool &TailCallsAreMarkedTail,
862                                     SmallVectorImpl<PHINode *> &ArgumentPHIs,
863                                     bool CannotTailCallElimCallsMarkedTail) {
864   CallInst *CI = FindTRECandidate(Ret, CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
865   if (!CI)
866     return false;
867
868   return EliminateRecursiveTailCall(CI, Ret, OldEntry, TailCallsAreMarkedTail,
869                                     ArgumentPHIs,
870                                     CannotTailCallElimCallsMarkedTail);
871 }