1afb11a986f8e2ad6bd6c933d9f3fce92cc7f942
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert memory refs to regs ----------===//
2 //
3 // This pass is used to promote memory references to be register references.  A
4 // simple example of the transformation performed by this pass is:
5 //
6 //        FROM CODE                           TO CODE
7 //   %X = alloca int, uint 1                 ret int 42
8 //   store int 42, int *%X
9 //   %Y = load int* %X
10 //   ret int %Y
11 //
12 // To do this transformation, a simple analysis is done to ensure it is safe.
13 // Currently this just loops over all alloca instructions, looking for
14 // instructions that are only used in simple load and stores.
15 //
16 // After this, the code is transformed by...something magical :)
17 //
18 //===----------------------------------------------------------------------===//
19
20 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
21 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
22 #include "llvm/iMemory.h"
23 #include "llvm/iPHINode.h"
24 #include "llvm/iTerminators.h"
25 #include "llvm/Function.h"
26 #include "llvm/BasicBlock.h"
27 #include "llvm/Constant.h"
28 #include "llvm/Type.h"
29 #include "Support/StatisticReporter.h"
30
31 static Statistic<> NumPromoted("mem2reg\t\t- Number of alloca's promoted");
32
33 using std::vector;
34 using std::map;
35 using std::set;
36
37 namespace {
38   struct PromotePass : public FunctionPass {
39     vector<AllocaInst*>          Allocas;      // the alloca instruction..
40     map<Instruction*, unsigned>  AllocaLookup; // reverse mapping of above
41     
42     vector<vector<BasicBlock*> > PhiNodes;     // index corresponds to Allocas
43     
44     // List of instructions to remove at end of pass
45     vector<Instruction *>        KillList;
46     
47     map<BasicBlock*,vector<PHINode*> > NewPhiNodes; // the PhiNodes we're adding
48
49   public:
50     const char *getPassName() const { return "Promote Memory to Register"; }
51
52     // runOnFunction - To run this pass, first we calculate the alloca
53     // instructions that are safe for promotion, then we promote each one.
54     //
55     virtual bool runOnFunction(Function *F);
56
57     // getAnalysisUsage - We need dominance frontiers
58     //
59     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
60       AU.addRequired(DominanceFrontier::ID);
61       AU.preservesCFG();
62     }
63
64   private:
65     void Traverse(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred, vector<Value*> &IncVals,
66                   set<BasicBlock*> &Visited);
67     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx);
68     void FindSafeAllocas(Function *F);
69   };
70
71 }  // end of anonymous namespace
72
73
74 // isSafeAlloca - This predicate controls what types of alloca instructions are
75 // allowed to be promoted...
76 //
77 static inline bool isSafeAlloca(const AllocaInst *AI) {
78   if (AI->isArrayAllocation()) return false;
79
80   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
81        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
82
83     // Only allow nonindexed memory access instructions...
84     if (MemAccessInst *MAI = dyn_cast<MemAccessInst>(*UI)) {
85       if (MAI->getPointerOperand() != (Value*)AI)
86         return false;  // Reject stores of alloca pointer into some other loc.
87
88       if (MAI->hasIndices()) {  // indexed?
89         // Allow the access if there is only one index and the index is
90         // zero.
91         if (*MAI->idx_begin() != Constant::getNullValue(Type::UIntTy) ||
92             MAI->idx_begin()+1 != MAI->idx_end())
93           return false;
94       }
95     } else {
96       return false;   // Not a load or store?
97     }
98   }
99   
100   return true;
101 }
102
103 // FindSafeAllocas - Find allocas that are safe to promote
104 //
105 void PromotePass::FindSafeAllocas(Function *F) {
106   BasicBlock *BB = F->getEntryNode();  // Get the entry node for the function
107
108   // Look at all instructions in the entry node
109   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
110     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(*I))       // Is it an alloca?
111       if (isSafeAlloca(AI)) {   // If safe alloca, add alloca to safe list
112         AllocaLookup[AI] = Allocas.size();  // Keep reverse mapping
113         Allocas.push_back(AI);
114       }
115 }
116
117
118
119 bool PromotePass::runOnFunction(Function *F) {
120   // Calculate the set of safe allocas
121   FindSafeAllocas(F);
122
123   // If there is nothing to do, bail out...
124   if (Allocas.empty()) return false;
125
126   // Add each alloca to the KillList.  Note: KillList is destroyed MOST recently
127   // added to least recently.
128   KillList.assign(Allocas.begin(), Allocas.end());
129
130   // Calculate the set of write-locations for each alloca.  This is analogous to
131   // counting the number of 'redefinitions' of each variable.
132   vector<vector<BasicBlock*> > WriteSets;    // index corresponds to Allocas
133   WriteSets.resize(Allocas.size());
134   for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
135     AllocaInst *AI = Allocas[i];
136     for (Value::use_iterator U =AI->use_begin(), E = AI->use_end(); U != E; ++U)
137       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*U))
138         // jot down the basic-block it came from
139         WriteSets[i].push_back(SI->getParent());
140   }
141
142   // Get dominance frontier information...
143   DominanceFrontier &DF = getAnalysis<DominanceFrontier>();
144
145   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
146   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in
147   //
148   PhiNodes.resize(Allocas.size());
149   for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
150     for (unsigned j = 0; j != WriteSets[i].size(); j++) {
151       // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
152       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(WriteSets[i][j]);
153       DominanceFrontier::DomSetType     S = it->second;
154       for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(), PE = S.end();
155            P != PE; ++P)
156         QueuePhiNode(*P, i);
157     }
158     
159     // Perform iterative step
160     for (unsigned k = 0; k != PhiNodes[i].size(); k++) {
161       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(PhiNodes[i][k]);
162       DominanceFrontier::DomSetType     S = it->second;
163       for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(), PE = S.end();
164            P != PE; ++P)
165         QueuePhiNode(*P, i);
166     }
167   }
168
169   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
170   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
171   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
172   //
173   vector<Value *> Values(Allocas.size());
174   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
175     Values[i] = Constant::getNullValue(Allocas[i]->getAllocatedType());
176
177   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
178   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
179   //
180   set<BasicBlock*> Visited;         // The basic blocks we've already visited
181   Traverse(F->front(), 0, Values, Visited);
182
183   // Remove all instructions marked by being placed in the KillList...
184   //
185   while (!KillList.empty()) {
186     Instruction *I = KillList.back();
187     KillList.pop_back();
188
189     I->getParent()->getInstList().remove(I);
190     delete I;
191   }
192
193   NumPromoted += Allocas.size();
194
195   // Purge data structurse so they are available the next iteration...
196   Allocas.clear();
197   AllocaLookup.clear();
198   PhiNodes.clear();
199   NewPhiNodes.clear();
200   return true;
201 }
202
203
204 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
205 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
206 //
207 bool PromotePass::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo) {
208   // Look up the basic-block in question
209   vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
210   if (BBPNs.empty()) BBPNs.resize(Allocas.size());
211
212   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
213   if (BBPNs[AllocaNo]) return false;
214
215   // Create a PhiNode using the dereferenced type...
216   PHINode *PN = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
217                             Allocas[AllocaNo]->getName()+".mem2reg");
218   BBPNs[AllocaNo] = PN;
219
220   // Add the phi-node to the basic-block
221   BB->getInstList().push_front(PN);
222
223   PhiNodes[AllocaNo].push_back(BB);
224   return true;
225 }
226
227 void PromotePass::Traverse(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
228                            vector<Value*> &IncomingVals,
229                            set<BasicBlock*> &Visited) {
230   // If this is a BB needing a phi node, lookup/create the phinode for each
231   // variable we need phinodes for.
232   vector<PHINode *> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
233   for (unsigned k = 0; k != BBPNs.size(); ++k)
234     if (PHINode *PN = BBPNs[k]) {
235       // at this point we can assume that the array has phi nodes.. let's add
236       // the incoming data
237       PN->addIncoming(IncomingVals[k], Pred);
238
239       // also note that the active variable IS designated by the phi node
240       IncomingVals[k] = PN;
241     }
242
243   // don't revisit nodes
244   if (Visited.count(BB)) return;
245   
246   // mark as visited
247   Visited.insert(BB);
248
249   // keep track of the value of each variable we're watching.. how?
250   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); II != BB->end(); ++II) {
251     Instruction *I = *II; //get the instruction
252
253     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
254       Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
255
256       if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(Ptr)) {
257         map<Instruction*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
258         if (AI != AllocaLookup.end()) {
259           Value *V = IncomingVals[AI->second];
260
261           // walk the use list of this load and replace all uses with r
262           LI->replaceAllUsesWith(V);
263           KillList.push_back(LI); // Mark the load to be deleted
264         }
265       }
266     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
267       // delete this instruction and mark the name as the current holder of the
268       // value
269       Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
270       if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(Ptr)) {
271         map<Instruction *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
272         if (ai != AllocaLookup.end()) {
273           // what value were we writing?
274           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
275           KillList.push_back(SI);  // Mark the store to be deleted
276         }
277       }
278       
279     } else if (TerminatorInst *TI = dyn_cast<TerminatorInst>(I)) {
280       // Recurse across our successors
281       for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++) {
282         vector<Value*> OutgoingVals(IncomingVals);
283         Traverse(TI->getSuccessor(i), BB, OutgoingVals, Visited);
284       }
285     }
286   }
287 }
288
289
290 // createPromoteMemoryToRegister - Provide an entry point to create this pass.
291 //
292 Pass *createPromoteMemoryToRegister() {
293   return new PromotePass();
294 }