CMake: Remove removed source file.
[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 dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
13 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
14 // This is just the standard SSA construction algorithm to construct "pruned"
15 // SSA form.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
20 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
21 #include "llvm/Constants.h"
22 #include "llvm/DerivedTypes.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/Instructions.h"
25 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
26 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
27 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
31 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
32 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
33 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
34 #include "llvm/Support/CFG.h"
35 #include "llvm/Support/Compiler.h"
36 #include <algorithm>
37 using namespace llvm;
38
39 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
40 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
41 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
42 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
43
44 // Provide DenseMapInfo for all pointers.
45 namespace llvm {
46 template<>
47 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
48   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
49   static inline EltTy getEmptyKey() {
50     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
51   }
52   static inline EltTy getTombstoneKey() {
53     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
54   }
55   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
56     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
57   }
58   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
59     return LHS == RHS;
60   }
61   static bool isPod() { return true; }
62 };
63 }
64
65 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
66 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
67 ///
68 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
69   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
70   // assignments to subsections of the memory unit.
71
72   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
73   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
74        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
75     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI)) {
76       if (LI->isVolatile())
77         return false;
78     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
79       if (SI->getOperand(0) == AI)
80         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
81       if (SI->isVolatile())
82         return false;
83     } else if (const BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(*UI)) {
84       // Uses by dbg info shouldn't inhibit promotion.
85       if (!BC->hasOneUse() || !isa<DbgInfoIntrinsic>(*BC->use_begin()))
86         return false;
87     } else {
88       return false;
89     }
90
91   return true;
92 }
93
94 namespace {
95   struct AllocaInfo;
96
97   // Data package used by RenamePass()
98   class VISIBILITY_HIDDEN RenamePassData {
99   public:
100     typedef std::vector<Value *> ValVector;
101     
102     RenamePassData() {}
103     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
104                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
105     BasicBlock *BB;
106     BasicBlock *Pred;
107     ValVector Values;
108     
109     void swap(RenamePassData &RHS) {
110       std::swap(BB, RHS.BB);
111       std::swap(Pred, RHS.Pred);
112       Values.swap(RHS.Values);
113     }
114   };
115   
116   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
117   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
118   ///
119   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
120   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
121   class VISIBILITY_HIDDEN LargeBlockInfo {
122     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
123     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
124     /// the start of the block.
125     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
126   public:
127     
128     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
129     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
130       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
131              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
132     }
133     
134     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
135     /// instruction.
136     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
137       assert(isInterestingInstruction(I) &&
138              "Not a load/store to/from an alloca?");
139       
140       // If we already have this instruction number, return it.
141       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
142       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
143       
144       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
145       // information for every interesting instruction in the block, in order to
146       // avoid gratuitus rescans.
147       const BasicBlock *BB = I->getParent();
148       unsigned InstNo = 0;
149       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
150            BBI != E; ++BBI)
151         if (isInterestingInstruction(BBI))
152           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
153       It = InstNumbers.find(I);
154       
155       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
156       return It->second;
157     }
158     
159     void deleteValue(const Instruction *I) {
160       InstNumbers.erase(I);
161     }
162     
163     void clear() {
164       InstNumbers.clear();
165     }
166   };
167
168   struct VISIBILITY_HIDDEN PromoteMem2Reg {
169     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
170     ///
171     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
172     DominatorTree &DT;
173     DominanceFrontier &DF;
174
175     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
176     ///
177     AliasSetTracker *AST;
178
179     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
180     ///
181     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
182
183     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
184     ///
185     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
186     
187     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
188     /// it corresponds to.
189     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
190     
191     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
192     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
193     /// to the inserted PHI nodes here.
194     ///
195     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
196
197     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
198     ///
199     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
200
201     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
202     /// non-determinstic behavior.
203     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
204
205     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
206     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
207   public:
208     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
209                    DominanceFrontier &df, AliasSetTracker *ast)
210       : Allocas(A), DT(dt), DF(df), AST(ast) {}
211
212     void run();
213
214     /// properlyDominates - Return true if I1 properly dominates I2.
215     ///
216     bool properlyDominates(Instruction *I1, Instruction *I2) const {
217       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(I1))
218         I1 = II->getNormalDest()->begin();
219       return DT.properlyDominates(I1->getParent(), I2->getParent());
220     }
221     
222     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
223     ///
224     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
225       return DT.dominates(BB1, BB2);
226     }
227
228   private:
229     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
230       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
231       Allocas.pop_back();
232       --AllocaIdx;
233     }
234
235     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
236       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
237       if (NP == 0)
238         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
239       return NP-1;
240     }
241
242     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
243                                  AllocaInfo &Info);
244     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
245                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
246                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
247     
248     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
249                                   LargeBlockInfo &LBI);
250     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
251                                   LargeBlockInfo &LBI);
252
253     
254     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
255                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
256                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
257     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version,
258                       SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes);
259   };
260   
261   struct AllocaInfo {
262     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
263     std::vector<BasicBlock*> UsingBlocks;
264     
265     StoreInst  *OnlyStore;
266     BasicBlock *OnlyBlock;
267     bool OnlyUsedInOneBlock;
268     
269     Value *AllocaPointerVal;
270     
271     void clear() {
272       DefiningBlocks.clear();
273       UsingBlocks.clear();
274       OnlyStore = 0;
275       OnlyBlock = 0;
276       OnlyUsedInOneBlock = true;
277       AllocaPointerVal = 0;
278     }
279     
280     /// RemoveDebugUses - Remove uses of the alloca in DbgInfoInstrinsics.
281     void RemoveDebugUses(AllocaInst *AI) {
282       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
283            U != E;) {
284         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
285         ++U;
286         if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
287           assert(BC->hasOneUse() && "Unexpected alloca uses!");
288           DbgInfoIntrinsic *DI = cast<DbgInfoIntrinsic>(*BC->use_begin());
289           DI->eraseFromParent();
290           BC->eraseFromParent();
291         } 
292       }
293     }
294
295     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
296     /// ivars.
297     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
298       clear();
299
300       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
301       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
302       // the same basic block.
303       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
304            U != E; ++U) {
305         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
306         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
307           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
308           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
309           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
310           OnlyStore = SI;
311         } else {
312           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
313           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
314           // reads.
315           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
316           AllocaPointerVal = LI;
317         }
318         
319         if (OnlyUsedInOneBlock) {
320           if (OnlyBlock == 0)
321             OnlyBlock = User->getParent();
322           else if (OnlyBlock != User->getParent())
323             OnlyUsedInOneBlock = false;
324         }
325       }
326     }
327   };
328 }  // end of anonymous namespace
329
330
331 void PromoteMem2Reg::run() {
332   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
333
334   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
335
336   AllocaInfo Info;
337   LargeBlockInfo LBI;
338
339   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
340     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
341
342     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
343            "Cannot promote non-promotable alloca!");
344     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
345            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
346
347     // Remove any uses of this alloca in DbgInfoInstrinsics.
348     Info.RemoveDebugUses(AI);
349
350     if (AI->use_empty()) {
351       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
352       if (AST) AST->deleteValue(AI);
353       AI->eraseFromParent();
354
355       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
356       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
357       ++NumDeadAlloca;
358       continue;
359     }
360     
361     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
362     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
363     Info.AnalyzeAlloca(AI);
364
365     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
366     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
367     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
368       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
369
370       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
371       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
372         // Remove the (now dead) store and alloca.
373         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
374         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
375
376         if (AST) AST->deleteValue(AI);
377         AI->eraseFromParent();
378         LBI.deleteValue(AI);
379         
380         // The alloca has been processed, move on.
381         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
382         
383         ++NumSingleStore;
384         continue;
385       }
386     }
387     
388     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
389     // linear sweep over the block to eliminate it.
390     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
391       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
392       
393       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
394       // left.
395       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
396         
397         // Remove the (now dead) stores and alloca.
398         while (!AI->use_empty()) {
399           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
400           SI->eraseFromParent();
401           LBI.deleteValue(SI);
402         }
403         
404         if (AST) AST->deleteValue(AI);
405         AI->eraseFromParent();
406         LBI.deleteValue(AI);
407         
408         // The alloca has been processed, move on.
409         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
410         
411         ++NumLocalPromoted;
412         continue;
413       }
414     }
415     
416     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
417     // now.
418     if (BBNumbers.empty()) {
419       unsigned ID = 0;
420       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
421         BBNumbers[I] = ID++;
422     }
423
424     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
425     // stored into the alloca.
426     if (AST)
427       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
428     
429     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
430     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
431
432     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
433     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
434     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
435     // dead phi nodes.
436     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
437   }
438
439   if (Allocas.empty())
440     return; // All of the allocas must have been trivial!
441
442   LBI.clear();
443   
444   
445   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
446   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
447   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
448   //
449   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
450   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
451     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
452
453   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
454   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
455   //
456   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
457   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
458   while (!RenamePassWorkList.empty()) {
459     RenamePassData RPD;
460     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
461     RenamePassWorkList.pop_back();
462     // RenamePass may add new worklist entries.
463     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
464   }
465   
466   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
467   Visited.clear();
468
469   // Remove the allocas themselves from the function.
470   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
471     Instruction *A = Allocas[i];
472
473     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
474     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
475     // Just delete the users now.
476     //
477     if (!A->use_empty())
478       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
479     if (AST) AST->deleteValue(A);
480     A->eraseFromParent();
481   }
482
483   
484   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
485   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
486   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
487   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
488   bool EliminatedAPHI = true;
489   while (EliminatedAPHI) {
490     EliminatedAPHI = false;
491     
492     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
493            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
494       PHINode *PN = I->second;
495       
496       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
497       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
498         if (!isa<Instruction>(V) ||
499             properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
500           if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
501             AST->deleteValue(PN);
502           PN->replaceAllUsesWith(V);
503           PN->eraseFromParent();
504           NewPhiNodes.erase(I++);
505           EliminatedAPHI = true;
506           continue;
507         }
508       }
509       ++I;
510     }
511   }
512   
513   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
514   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
515   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
516   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
517   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
518   //
519   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
520          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
521     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
522     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
523     PHINode *SomePHI = I->second;
524     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
525     if (&BB->front() != SomePHI)
526       continue;
527
528     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
529     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
530     // number of incoming values, so we can just check any of them.
531     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
532       continue;
533
534     // Get the preds for BB.
535     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
536     
537     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
538     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
539     // access.
540     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
541     
542     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
543     // them from the Preds list.
544     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
545       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
546       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
547         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
548                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
549       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
550              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
551
552       // Remove the entry
553       Preds.erase(EntIt);
554     }
555
556     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
557     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
558     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
559     // mem2reg runs).
560     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
561     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
562     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
563            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
564       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
565       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
566         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
567     }
568   }
569         
570   NewPhiNodes.clear();
571 }
572
573
574 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
575 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
576 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
577 /// would be dead).
578 void PromoteMem2Reg::
579 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
580                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
581                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
582   
583   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
584   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
585   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
586   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist;
587   LiveInBlockWorklist.insert(LiveInBlockWorklist.end(), 
588                              Info.UsingBlocks.begin(), Info.UsingBlocks.end());
589   
590   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
591   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
592   // the value isn't really live-in.
593   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
594     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
595     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
596     
597     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
598     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
599     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
600       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
601         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
602         
603         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
604         // actually live-in here.
605         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
606         LiveInBlockWorklist.pop_back();
607         --i, --e;
608         break;
609       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
610         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
611         
612         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
613         // live into this block.
614         break;
615       }
616     }
617   }
618   
619   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
620   // their predecessors until we find the full region the value is live.
621   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
622     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.back();
623     LiveInBlockWorklist.pop_back();
624     
625     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
626     // the set, then it has already been processed.
627     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
628       continue;
629     
630     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
631     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
632     // defining block.
633     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
634       BasicBlock *P = *PI;
635       
636       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
637       if (DefBlocks.count(P))
638         continue;
639       
640       // Otherwise it is, add to the worklist.
641       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
642     }
643   }
644 }
645
646 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
647 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
648 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
649 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
650 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
651                                              AllocaInfo &Info) {
652
653   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
654   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
655   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
656
657   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
658   // to uses.
659   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
660   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
661
662   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
663   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
664   unsigned CurrentVersion = 0;
665   SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
666   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
667   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
668     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
669     Info.DefiningBlocks.pop_back();
670     
671     // Look up the DF for this write, add it to defining blocks.
672     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
673     if (it == DF.end()) continue;
674     
675     const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
676     
677     // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
678     // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
679     // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
680     // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
681     // processing blocks in order of the occurance in the function.
682     for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
683          PE = S.end(); P != PE; ++P) {
684       // If the frontier block is not in the live-in set for the alloca, don't
685       // bother processing it.
686       if (!LiveInBlocks.count(*P))
687         continue;
688       
689       DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
690     }
691     
692     // Sort by which the block ordering in the function.
693     if (DFBlocks.size() > 1)
694       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
695     
696     for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
697       BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
698       if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
699         Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
700     }
701     DFBlocks.clear();
702   }
703 }
704
705 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
706 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
707 /// the value stored.
708 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
709                                               AllocaInfo &Info,
710                                               LargeBlockInfo &LBI) {
711   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
712   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
713   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
714   int StoreIndex = -1;
715
716   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
717   Info.UsingBlocks.clear();
718   
719   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
720     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
721     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
722       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
723       continue;
724     }
725     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
726     
727     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
728     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
729     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
730     // to insert the phi nodes as needed.
731     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
732       if (LI->getParent() == StoreBB) {
733         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
734         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
735         // load came before the store, we can't handle it.
736         if (StoreIndex == -1)
737           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
738
739         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
740           // Can't handle this load, bail out.
741           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
742           continue;
743         }
744         
745       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
746                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
747         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
748         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
749         // out.
750         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
751         continue;
752       }
753     }
754     
755     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
756     LI->replaceAllUsesWith(OnlyStore->getOperand(0));
757     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
758       AST->deleteValue(LI);
759     LI->eraseFromParent();
760     LBI.deleteValue(LI);
761   }
762 }
763
764
765 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
766 /// first element of a pair.
767 struct StoreIndexSearchPredicate {
768   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
769                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
770     return LHS.first < RHS.first;
771   }
772 };
773
774 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
775 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
776 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
777 /// the basic block using the Alloca.
778 ///
779 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
780 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
781 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
782 /// this is potentially correct:
783 ///
784 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
785 ///
786 /// ... so long as A is not used before undef is set.
787 ///
788 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
789                                               LargeBlockInfo &LBI) {
790   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
791   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
792   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
793   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
794   
795   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
796   Info.UsingBlocks.clear();
797   
798   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
799   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
800   StoresByIndexTy StoresByIndex;
801   
802   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
803        UI != E; ++UI) 
804     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
805       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
806
807   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
808   if (StoresByIndex.empty()) {
809     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
810       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
811         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
812         if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
813           AST->deleteValue(LI);
814         LBI.deleteValue(LI);
815         LI->eraseFromParent();
816       }
817     return;
818   }
819   
820   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
821   // binary search.
822   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
823   
824   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
825   // store above them, if any.
826   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
827     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
828     if (!LI) continue;
829     
830     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
831     
832     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
833     StoresByIndexTy::iterator I = 
834       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
835                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, 0),
836                        StoreIndexSearchPredicate());
837     
838     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
839     if (I == StoresByIndex.begin()) {
840       // Can't handle this load, bail out.
841       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
842       continue;
843     }
844       
845     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
846     --I;
847     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
848     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
849       AST->deleteValue(LI);
850     LI->eraseFromParent();
851     LBI.deleteValue(LI);
852   }
853 }
854
855
856 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
857 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
858 //
859 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
860                                   unsigned &Version,
861                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
862   // Look up the basic-block in question.
863   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
864
865   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
866   if (PN) return false;
867
868   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
869   // BasicBlock.
870   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
871                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
872                        utostr(Version++), BB->begin());
873   ++NumPHIInsert;
874   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
875   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
876   
877   InsertedPHINodes.insert(PN);
878
879   if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
880     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
881
882   return true;
883 }
884
885 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
886 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
887 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
888 //
889 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
890                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
891                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
892 NextIteration:
893   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
894   // block.
895   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
896     // Pred may have multiple edges to BB.  If so, we want to add N incoming
897     // values to each PHI we are inserting on the first time we see the edge.
898     // Check to see if APN already has incoming values from Pred.  This also
899     // prevents us from modifying PHI nodes that are not currently being
900     // inserted.
901     bool HasPredEntries = false;
902     for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
903       if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
904         HasPredEntries = true;
905         break;
906       }
907     }
908     
909     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
910     // BB.
911     if (!HasPredEntries) {
912       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
913       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
914       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
915       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
916       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
917       // operands so far.  Remember this count.
918       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
919       
920       unsigned NumEdges = 0;
921       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
922         if (*I == BB)
923           ++NumEdges;
924       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
925       
926       // Add entries for all the phis.
927       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
928       do {
929         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
930         
931         // Add N incoming values to the PHI node.
932         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
933           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
934         
935         // The currently active variable for this block is now the PHI.
936         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
937         
938         // Get the next phi node.
939         ++PNI;
940         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
941         if (APN == 0) break;
942         
943         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
944         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
945       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
946     }
947   }
948   
949   // Don't revisit blocks.
950   if (!Visited.insert(BB)) return;
951
952   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
953     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
954
955     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
956       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
957       if (!Src) continue;
958   
959       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
960       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
961
962       Value *V = IncomingVals[AI->second];
963
964       // Anything using the load now uses the current value.
965       LI->replaceAllUsesWith(V);
966       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
967         AST->deleteValue(LI);
968       BB->getInstList().erase(LI);
969     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
970       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
971       // value
972       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
973       if (!Dest) continue;
974       
975       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
976       if (ai == AllocaLookup.end())
977         continue;
978       
979       // what value were we writing?
980       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
981       BB->getInstList().erase(SI);
982     }
983   }
984
985   // 'Recurse' to our successors.
986   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
987   if (I == E) return;
988
989   // Handle the last successor without using the worklist.  This allows us to
990   // handle unconditional branches directly, for example.
991   --E;
992   for (; I != E; ++I)
993     Worklist.push_back(RenamePassData(*I, BB, IncomingVals));
994
995   Pred = BB;
996   BB = *I;
997   goto NextIteration;
998 }
999
1000 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1001 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
1002 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
1003 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
1004 ///
1005 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1006 /// made to the IR.
1007 ///
1008 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1009                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
1010                            AliasSetTracker *AST) {
1011   // If there is nothing to do, bail out...
1012   if (Allocas.empty()) return;
1013
1014   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, AST).run();
1015 }