Hoist the rest of the logic for promoting single-store allocas into the
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
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 promotes memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using iterated dominator frontiers to place PHI nodes, then
13 // traversing the function in depth-first order to rewrite loads and stores as
14 // appropriate.
15 //
16 // The algorithm used here is based on:
17 //
18 //   Sreedhar and Gao. A linear time algorithm for placing phi-nodes.
19 //   In Proceedings of the 22nd ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of
20 //   Programming Languages
21 //   POPL '95. ACM, New York, NY, 62-73.
22 //
23 // It has been modified to not explicitly use the DJ graph data structure and to
24 // directly compute pruned SSA using per-variable liveness information.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
32 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
38 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
39 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
40 #include "llvm/DIBuilder.h"
41 #include "llvm/DebugInfo.h"
42 #include "llvm/IR/Constants.h"
43 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
44 #include "llvm/IR/Function.h"
45 #include "llvm/IR/Instructions.h"
46 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/IR/Metadata.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <queue>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
55 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
56 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
57 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
58
59 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
60   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
61   // assignments to subsections of the memory unit.
62
63   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
64   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
65        UI != UE; ++UI) { // Loop over all of the uses of the alloca
66     const User *U = *UI;
67     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
68       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
69       // not have any meaning for a local alloca.
70       if (LI->isVolatile())
71         return false;
72     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
73       if (SI->getOperand(0) == AI)
74         return false; // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
75       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
76       // not have any meaning for a local alloca.
77       if (SI->isVolatile())
78         return false;
79     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
80       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
81           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
82         return false;
83     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
84       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
85         return false;
86       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
87         return false;
88     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
89       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
90         return false;
91       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
92         return false;
93       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 namespace {
104
105 struct AllocaInfo {
106   SmallVector<BasicBlock *, 32> DefiningBlocks;
107   SmallVector<BasicBlock *, 32> UsingBlocks;
108
109   StoreInst *OnlyStore;
110   BasicBlock *OnlyBlock;
111   bool OnlyUsedInOneBlock;
112
113   Value *AllocaPointerVal;
114   DbgDeclareInst *DbgDeclare;
115
116   void clear() {
117     DefiningBlocks.clear();
118     UsingBlocks.clear();
119     OnlyStore = 0;
120     OnlyBlock = 0;
121     OnlyUsedInOneBlock = true;
122     AllocaPointerVal = 0;
123     DbgDeclare = 0;
124   }
125
126   /// Scan the uses of the specified alloca, filling in the AllocaInfo used
127   /// by the rest of the pass to reason about the uses of this alloca.
128   void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
129     clear();
130
131     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
132     // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
133     // the same basic block.
134     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
135          UI != E;) {
136       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
137
138       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
139         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
140         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
141         AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
142         OnlyStore = SI;
143       } else {
144         LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
145         // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
146         // reads.
147         UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
148         AllocaPointerVal = LI;
149       }
150
151       if (OnlyUsedInOneBlock) {
152         if (OnlyBlock == 0)
153           OnlyBlock = User->getParent();
154         else if (OnlyBlock != User->getParent())
155           OnlyUsedInOneBlock = false;
156       }
157     }
158
159     DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
160   }
161 };
162
163 // Data package used by RenamePass()
164 class RenamePassData {
165 public:
166   typedef std::vector<Value *> ValVector;
167
168   RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
169   RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P, const ValVector &V)
170       : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
171   BasicBlock *BB;
172   BasicBlock *Pred;
173   ValVector Values;
174
175   void swap(RenamePassData &RHS) {
176     std::swap(BB, RHS.BB);
177     std::swap(Pred, RHS.Pred);
178     Values.swap(RHS.Values);
179   }
180 };
181
182 /// \brief This assigns and keeps a per-bb relative ordering of load/store
183 /// instructions in the block that directly load or store an alloca.
184 ///
185 /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
186 /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
187 class LargeBlockInfo {
188   /// \brief For each instruction that we track, keep the index of the
189   /// instruction.
190   ///
191   /// The index starts out as the number of the instruction from the start of
192   /// the block.
193   DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
194
195 public:
196
197   /// This code only looks at accesses to allocas.
198   static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
199     return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
200            (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
201   }
202
203   /// Get or calculate the index of the specified instruction.
204   unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
205     assert(isInterestingInstruction(I) &&
206            "Not a load/store to/from an alloca?");
207
208     // If we already have this instruction number, return it.
209     DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
210     if (It != InstNumbers.end())
211       return It->second;
212
213     // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
214     // information for every interesting instruction in the block, in order to
215     // avoid gratuitus rescans.
216     const BasicBlock *BB = I->getParent();
217     unsigned InstNo = 0;
218     for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end(); BBI != E;
219          ++BBI)
220       if (isInterestingInstruction(BBI))
221         InstNumbers[BBI] = InstNo++;
222     It = InstNumbers.find(I);
223
224     assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
225     return It->second;
226   }
227
228   void deleteValue(const Instruction *I) { InstNumbers.erase(I); }
229
230   void clear() { InstNumbers.clear(); }
231 };
232
233 struct PromoteMem2Reg {
234   /// The alloca instructions being promoted.
235   std::vector<AllocaInst *> Allocas;
236   DominatorTree &DT;
237   DIBuilder DIB;
238
239   /// An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
240   AliasSetTracker *AST;
241
242   /// Reverse mapping of Allocas.
243   DenseMap<AllocaInst *, unsigned> AllocaLookup;
244
245   /// \brief The PhiNodes we're adding.
246   ///
247   /// That map is used to simplify some Phi nodes as we iterate over it, so
248   /// it should have deterministic iterators.  We could use a MapVector, but
249   /// since we already maintain a map from BasicBlock* to a stable numbering
250   /// (BBNumbers), the DenseMap is more efficient (also supports removal).
251   DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *> NewPhiNodes;
252
253   /// For each PHI node, keep track of which entry in Allocas it corresponds
254   /// to.
255   DenseMap<PHINode *, unsigned> PhiToAllocaMap;
256
257   /// If we are updating an AliasSetTracker, then for each alloca that is of
258   /// pointer type, we keep track of what to copyValue to the inserted PHI
259   /// nodes here.
260   std::vector<Value *> PointerAllocaValues;
261
262   /// For each alloca, we keep track of the dbg.declare intrinsic that
263   /// describes it, if any, so that we can convert it to a dbg.value
264   /// intrinsic if the alloca gets promoted.
265   SmallVector<DbgDeclareInst *, 8> AllocaDbgDeclares;
266
267   /// The set of basic blocks the renamer has already visited.
268   ///
269   SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
270
271   /// Contains a stable numbering of basic blocks to avoid non-determinstic
272   /// behavior.
273   DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BBNumbers;
274
275   /// Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
276   DenseMap<DomTreeNode *, unsigned> DomLevels;
277
278   /// Lazily compute the number of predecessors a block has.
279   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> BBNumPreds;
280
281 public:
282   PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst *> &Allocas, DominatorTree &DT,
283                  AliasSetTracker *AST)
284       : Allocas(Allocas), DT(DT), DIB(*DT.getRoot()->getParent()->getParent()),
285         AST(AST) {}
286
287   void run();
288
289 private:
290   void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
291     Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
292     Allocas.pop_back();
293     --AllocaIdx;
294   }
295
296   unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
297     unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
298     if (NP == 0)
299       NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB)) + 1;
300     return NP - 1;
301   }
302
303   void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
304                                AllocaInfo &Info);
305   void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
306                            const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
307                            SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks);
308   void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
309                   RenamePassData::ValVector &IncVals,
310                   std::vector<RenamePassData> &Worklist);
311   bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
312 };
313
314 } // end of anonymous namespace
315
316 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
317   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
318   // instructions except for load and store.
319
320   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
321        UI != UE;) {
322     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
323     ++UI;
324     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
325       continue;
326
327     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
328       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
329       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
330       // dead code elimination later.
331       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
332            UI != UE;) {
333         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
334         ++UI;
335         Inst->eraseFromParent();
336       }
337     }
338     I->eraseFromParent();
339   }
340 }
341
342 /// \brief Rewrite as many loads as possible given a single store.
343 ///
344 /// When there is only a single store, we can use the domtree to trivially
345 /// replace all of the dominated loads with the stored value. Do so, and return
346 /// true if this has successfully promoted the alloca entirely. If this returns
347 /// false there were some loads which were not dominated by the single store
348 /// and thus must be phi-ed with undef. We fall back to the standard alloca
349 /// promotion algorithm in that case.
350 static bool rewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
351                                      LargeBlockInfo &LBI,
352                                      DominatorTree &DT,
353                                      AliasSetTracker *AST) {
354   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
355   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
356   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
357   int StoreIndex = -1;
358
359   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
360   Info.UsingBlocks.clear();
361
362   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
363     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
364     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
365       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
366       continue;
367     }
368     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
369
370     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
371     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
372     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
373     // to insert the phi nodes as needed.
374     if (!StoringGlobalVal) { // Non-instructions are always dominated.
375       if (LI->getParent() == StoreBB) {
376         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
377         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
378         // load came before the store, we can't handle it.
379         if (StoreIndex == -1)
380           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
381
382         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
383           // Can't handle this load, bail out.
384           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
385           continue;
386         }
387
388       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
389                  !DT.dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
390         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
391         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
392         // out.
393         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
394         continue;
395       }
396     }
397
398     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
399     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
400     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
401     // code.
402     if (ReplVal == LI)
403       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
404     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
405     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
406       AST->deleteValue(LI);
407     LI->eraseFromParent();
408     LBI.deleteValue(LI);
409   }
410
411   // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
412   if (!Info.UsingBlocks.empty())
413     return false; // If not, we'll have to fall back for the remainder.
414
415   // Record debuginfo for the store and remove the declaration's
416   // debuginfo.
417   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
418     DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
419     ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, DIB);
420     DDI->eraseFromParent();
421   }
422   // Remove the (now dead) store and alloca.
423   Info.OnlyStore->eraseFromParent();
424   LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
425
426   if (AST)
427     AST->deleteValue(AI);
428   AI->eraseFromParent();
429   LBI.deleteValue(AI);
430   return true;
431 }
432
433 namespace {
434 /// This is a helper predicate used to search by the first element of a pair.
435 struct StoreIndexSearchPredicate {
436   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst *> &LHS,
437                   const std::pair<unsigned, StoreInst *> &RHS) {
438     return LHS.first < RHS.first;
439   }
440 };
441 }
442
443 /// Many allocas are only used within a single basic block.  If this is the
444 /// case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of potentially useless
445 /// PHI nodes by just performing a single linear pass over the basic block
446 /// using the Alloca.
447 ///
448 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
449 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
450 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
451 /// this is potentially correct:
452 ///
453 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
454 ///
455 /// ... so long as A is not used before undef is set.
456 static void promoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, const AllocaInfo &Info,
457                                      LargeBlockInfo &LBI,
458                                      AliasSetTracker *AST) {
459   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
460   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
461   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
462   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
463
464   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
465   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst *>, 64> StoresByIndexTy;
466   StoresByIndexTy StoresByIndex;
467
468   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;
469        ++UI)
470     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
471       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
472
473   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
474   // binary search.
475   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
476
477   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
478   // store above them, if any.
479   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
480     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
481     if (!LI)
482       continue;
483
484     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
485
486     // Find the nearest store that has a lower than this load.
487     StoresByIndexTy::iterator I = std::lower_bound(
488         StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
489         std::pair<unsigned, StoreInst *>(LoadIdx, static_cast<StoreInst *>(0)),
490         StoreIndexSearchPredicate());
491
492     if (I == StoresByIndex.begin())
493       // If there is no store before this load, the load takes the undef value.
494       LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
495     else
496       // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
497       LI->replaceAllUsesWith(llvm::prior(I)->second->getOperand(0));
498
499     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
500       AST->deleteValue(LI);
501     LI->eraseFromParent();
502     LBI.deleteValue(LI);
503   }
504
505   // Remove the (now dead) stores and alloca.
506   while (!AI->use_empty()) {
507     StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
508     // Record debuginfo for the store before removing it.
509     if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
510       DIBuilder DIB(*AI->getParent()->getParent()->getParent());
511       ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
512     }
513     SI->eraseFromParent();
514     LBI.deleteValue(SI);
515   }
516
517   if (AST)
518     AST->deleteValue(AI);
519   AI->eraseFromParent();
520   LBI.deleteValue(AI);
521
522   // The alloca's debuginfo can be removed as well.
523   if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
524     DDI->eraseFromParent();
525
526   ++NumLocalPromoted;
527 }
528
529 void PromoteMem2Reg::run() {
530   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
531
532   if (AST)
533     PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
534   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
535
536   AllocaInfo Info;
537   LargeBlockInfo LBI;
538
539   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
540     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
541
542     assert(isAllocaPromotable(AI) && "Cannot promote non-promotable alloca!");
543     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
544            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
545
546     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
547
548     if (AI->use_empty()) {
549       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
550       if (AST)
551         AST->deleteValue(AI);
552       AI->eraseFromParent();
553
554       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
555       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
556       ++NumDeadAlloca;
557       continue;
558     }
559
560     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
561     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
562     Info.AnalyzeAlloca(AI);
563
564     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
565     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
566     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
567       if (rewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI, DT, AST)) {
568         // The alloca has been processed, move on.
569         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
570         ++NumSingleStore;
571         continue;
572       }
573     }
574
575     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
576     // linear sweep over the block to eliminate it.
577     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
578       promoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI, AST);
579
580       // The alloca has been processed, move on.
581       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
582       continue;
583     }
584
585     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
586     if (DomLevels.empty()) {
587       SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
588
589       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
590       DomLevels[Root] = 0;
591       Worklist.push_back(Root);
592
593       while (!Worklist.empty()) {
594         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
595         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
596         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
597              CI != CE; ++CI) {
598           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
599           Worklist.push_back(*CI);
600         }
601       }
602     }
603
604     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
605     // now.
606     if (BBNumbers.empty()) {
607       unsigned ID = 0;
608       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
609         BBNumbers[I] = ID++;
610     }
611
612     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
613     // stored into the alloca.
614     if (AST)
615       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
616
617     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
618     if (Info.DbgDeclare)
619       AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
620
621     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
622     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
623
624     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
625     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
626     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
627     // dead phi nodes.
628     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
629   }
630
631   if (Allocas.empty())
632     return; // All of the allocas must have been trivial!
633
634   LBI.clear();
635
636   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
637   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
638   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
639   //
640   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
641   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
642     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
643
644   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
645   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
646   //
647   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
648   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
649   do {
650     RenamePassData RPD;
651     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
652     RenamePassWorkList.pop_back();
653     // RenamePass may add new worklist entries.
654     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
655   } while (!RenamePassWorkList.empty());
656
657   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
658   Visited.clear();
659
660   // Remove the allocas themselves from the function.
661   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
662     Instruction *A = Allocas[i];
663
664     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
665     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
666     // tree. Just delete the users now.
667     if (!A->use_empty())
668       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
669     if (AST)
670       AST->deleteValue(A);
671     A->eraseFromParent();
672   }
673
674   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
675   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
676     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
677       DDI->eraseFromParent();
678
679   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
680   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
681   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
682   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
683   bool EliminatedAPHI = true;
684   while (EliminatedAPHI) {
685     EliminatedAPHI = false;
686
687     // Iterating over NewPhiNodes is deterministic, so it is safe to try to
688     // simplify and RAUW them as we go.  If it was not, we could add uses to
689     // the values we replace with in a non deterministic order, thus creating
690     // non deterministic def->use chains.
691     for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
692              I = NewPhiNodes.begin(),
693              E = NewPhiNodes.end();
694          I != E;) {
695       PHINode *PN = I->second;
696
697       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
698       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, &DT)) {
699         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
700           AST->deleteValue(PN);
701         PN->replaceAllUsesWith(V);
702         PN->eraseFromParent();
703         NewPhiNodes.erase(I++);
704         EliminatedAPHI = true;
705         continue;
706       }
707       ++I;
708     }
709   }
710
711   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
712   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
713   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
714   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
715   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
716   //
717   for (DenseMap<std::pair<unsigned, unsigned>, PHINode *>::iterator
718            I = NewPhiNodes.begin(),
719            E = NewPhiNodes.end();
720        I != E; ++I) {
721     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
722     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
723     PHINode *SomePHI = I->second;
724     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
725     if (&BB->front() != SomePHI)
726       continue;
727
728     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
729     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
730     // number of incoming values, so we can just check any of them.
731     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
732       continue;
733
734     // Get the preds for BB.
735     SmallVector<BasicBlock *, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
736
737     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
738     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
739     // access.
740     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
741
742     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
743     // them from the Preds list.
744     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
745       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
746       SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator EntIt = std::lower_bound(
747           Preds.begin(), Preds.end(), SomePHI->getIncomingBlock(i));
748       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i) &&
749              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
750
751       // Remove the entry
752       Preds.erase(EntIt);
753     }
754
755     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
756     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
757     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
758     // mem2reg runs).
759     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
760     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
761     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
762            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
763       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
764       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
765         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
766     }
767   }
768
769   NewPhiNodes.clear();
770 }
771
772 /// \brief Determine which blocks the value is live in.
773 ///
774 /// These are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid
775 /// inserting PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the
776 /// inserted phi nodes would be dead).
777 void PromoteMem2Reg::ComputeLiveInBlocks(
778     AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
779     const SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &DefBlocks,
780     SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> &LiveInBlocks) {
781
782   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
783   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
784   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
785   SmallVector<BasicBlock *, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
786                                                     Info.UsingBlocks.end());
787
788   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
789   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
790   // the value isn't really live-in.
791   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
792     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
793     if (!DefBlocks.count(BB))
794       continue;
795
796     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
797     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
798     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();; ++I) {
799       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
800         if (SI->getOperand(1) != AI)
801           continue;
802
803         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
804         // actually live-in here.
805         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
806         LiveInBlockWorklist.pop_back();
807         --i, --e;
808         break;
809       }
810
811       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
812         if (LI->getOperand(0) != AI)
813           continue;
814
815         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
816         // live into this block.
817         break;
818       }
819     }
820   }
821
822   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
823   // their predecessors until we find the full region the value is live.
824   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
825     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
826
827     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
828     // the set, then it has already been processed.
829     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
830       continue;
831
832     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
833     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
834     // defining block.
835     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
836       BasicBlock *P = *PI;
837
838       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
839       if (DefBlocks.count(P))
840         continue;
841
842       // Otherwise it is, add to the worklist.
843       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
844     }
845   }
846 }
847
848 namespace {
849 typedef std::pair<DomTreeNode *, unsigned> DomTreeNodePair;
850
851 struct DomTreeNodeCompare {
852   bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
853     return LHS.second < RHS.second;
854   }
855 };
856 } // end anonymous namespace
857
858 /// At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and the
859 /// standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need phi nodes
860 /// and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of dead phi
861 /// nodes.
862 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
863                                              AllocaInfo &Info) {
864   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
865   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> DefBlocks;
866   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
867
868   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
869   // to uses.
870   SmallPtrSet<BasicBlock *, 32> LiveInBlocks;
871   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
872
873   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
874   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
875   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair,
876                               SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
877                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
878   IDFPriorityQueue PQ;
879
880   for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
881                                                      E = DefBlocks.end();
882        I != E; ++I) {
883     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
884       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
885   }
886
887   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock *>, 32> DFBlocks;
888   SmallPtrSet<DomTreeNode *, 32> Visited;
889   SmallVector<DomTreeNode *, 32> Worklist;
890   while (!PQ.empty()) {
891     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
892     PQ.pop();
893     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
894     unsigned RootLevel = RootPair.second;
895
896     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
897     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
898     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
899     // definition set.
900
901     Worklist.clear();
902     Worklist.push_back(Root);
903
904     while (!Worklist.empty()) {
905       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
906       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
907
908       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
909            ++SI) {
910         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
911
912         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
913         // of catching them below.
914         if (SuccNode->getIDom() == Node)
915           continue;
916
917         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
918         if (SuccLevel > RootLevel)
919           continue;
920
921         if (!Visited.insert(SuccNode))
922           continue;
923
924         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
925         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
926           continue;
927
928         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
929         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
930           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
931       }
932
933       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
934            ++CI) {
935         if (!Visited.count(*CI))
936           Worklist.push_back(*CI);
937       }
938     }
939   }
940
941   if (DFBlocks.size() > 1)
942     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
943
944   unsigned CurrentVersion = 0;
945   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
946     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
947 }
948
949 /// \brief Queue a phi-node to be added to a basic-block for a specific Alloca.
950 ///
951 /// Returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
952 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
953                                   unsigned &Version) {
954   // Look up the basic-block in question.
955   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BBNumbers[BB], AllocaNo)];
956
957   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
958   if (PN)
959     return false;
960
961   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
962   // BasicBlock.
963   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
964                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++),
965                        BB->begin());
966   ++NumPHIInsert;
967   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
968
969   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
970     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
971
972   return true;
973 }
974
975 /// \brief Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
976 /// stores to the allocas which we are promoting.
977 ///
978 /// IncomingVals indicates what value each Alloca contains on exit from the
979 /// predecessor block Pred.
980 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
981                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
982                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
983 NextIteration:
984   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
985   // block.
986   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
987     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
988     // BB.
989     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
990       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
991       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
992       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
993       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
994       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
995       // operands so far.  Remember this count.
996       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
997
998       unsigned NumEdges = 0;
999       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
1000         if (*I == BB)
1001           ++NumEdges;
1002       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1003
1004       // Add entries for all the phis.
1005       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1006       do {
1007         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1008
1009         // Add N incoming values to the PHI node.
1010         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1011           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1012
1013         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1014         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1015
1016         // Get the next phi node.
1017         ++PNI;
1018         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1019         if (APN == 0)
1020           break;
1021
1022         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1023         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1024       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1025     }
1026   }
1027
1028   // Don't revisit blocks.
1029   if (!Visited.insert(BB))
1030     return;
1031
1032   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II);) {
1033     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1034
1035     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1036       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1037       if (!Src)
1038         continue;
1039
1040       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1041       if (AI == AllocaLookup.end())
1042         continue;
1043
1044       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1045
1046       // Anything using the load now uses the current value.
1047       LI->replaceAllUsesWith(V);
1048       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1049         AST->deleteValue(LI);
1050       BB->getInstList().erase(LI);
1051     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1052       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1053       // value
1054       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1055       if (!Dest)
1056         continue;
1057
1058       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1059       if (ai == AllocaLookup.end())
1060         continue;
1061
1062       // what value were we writing?
1063       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1064       // Record debuginfo for the store before removing it.
1065       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second])
1066         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, DIB);
1067       BB->getInstList().erase(SI);
1068     }
1069   }
1070
1071   // 'Recurse' to our successors.
1072   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1073   if (I == E)
1074     return;
1075
1076   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1077   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> VisitedSuccs;
1078
1079   // Handle the first successor without using the worklist.
1080   VisitedSuccs.insert(*I);
1081   Pred = BB;
1082   BB = *I;
1083   ++I;
1084
1085   for (; I != E; ++I)
1086     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1087       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1088
1089   goto NextIteration;
1090 }
1091
1092 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst *> &Allocas,
1093                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1094   // If there is nothing to do, bail out...
1095   if (Allocas.empty())
1096     return;
1097
1098   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1099 }