a1736b931fb44ddda556e21ce319c4d732453090
[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/Constants.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/Metadata.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/DebugInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
43 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
47 #include "llvm/Support/CFG.h"
48 #include <algorithm>
49 #include <queue>
50 using namespace llvm;
51
52 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
53 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
54 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
55 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
56
57 namespace llvm {
58 template<>
59 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
60   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
61   static inline EltTy getEmptyKey() {
62     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
63   }
64   static inline EltTy getTombstoneKey() {
65     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
66   }
67   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
68     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
69   }
70   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
71     return LHS == RHS;
72   }
73 };
74 }
75
76 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
77 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
78 ///
79 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
80   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
81   // assignments to subsections of the memory unit.
82
83   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
84   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
85        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
86     const User *U = *UI;
87     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
88       if (LI->isVolatile())
89         return false;
90     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
91       if (SI->getOperand(0) == AI)
92         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
93       if (SI->isVolatile())
94         return false;
95     } else {
96       return false;
97     }
98   }
99
100   return true;
101 }
102
103 namespace {
104   struct AllocaInfo;
105
106   // Data package used by RenamePass()
107   class RenamePassData {
108   public:
109     typedef std::vector<Value *> ValVector;
110     
111     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
112     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
113                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
114     BasicBlock *BB;
115     BasicBlock *Pred;
116     ValVector Values;
117     
118     void swap(RenamePassData &RHS) {
119       std::swap(BB, RHS.BB);
120       std::swap(Pred, RHS.Pred);
121       Values.swap(RHS.Values);
122     }
123   };
124   
125   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
126   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
127   ///
128   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
129   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
130   class LargeBlockInfo {
131     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
132     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
133     /// the start of the block.
134     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
135   public:
136     
137     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
138     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
139       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
140              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
141     }
142     
143     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
144     /// instruction.
145     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
146       assert(isInterestingInstruction(I) &&
147              "Not a load/store to/from an alloca?");
148       
149       // If we already have this instruction number, return it.
150       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
151       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
152       
153       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
154       // information for every interesting instruction in the block, in order to
155       // avoid gratuitus rescans.
156       const BasicBlock *BB = I->getParent();
157       unsigned InstNo = 0;
158       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
159            BBI != E; ++BBI)
160         if (isInterestingInstruction(BBI))
161           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
162       It = InstNumbers.find(I);
163       
164       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
165       return It->second;
166     }
167     
168     void deleteValue(const Instruction *I) {
169       InstNumbers.erase(I);
170     }
171     
172     void clear() {
173       InstNumbers.clear();
174     }
175   };
176
177   struct PromoteMem2Reg {
178     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
179     ///
180     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
181     DominatorTree &DT;
182     DIBuilder *DIB;
183
184     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
185     ///
186     AliasSetTracker *AST;
187     
188     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
189     ///
190     DenseMap<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
191
192     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
193     ///
194     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
195     
196     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
197     /// it corresponds to.
198     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
199     
200     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
201     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
202     /// to the inserted PHI nodes here.
203     ///
204     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
205
206     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
207     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
208     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
209     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
210
211     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
212     ///
213     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
214
215     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
216     /// non-determinstic behavior.
217     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
218
219     /// DomLevels - Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
220     DenseMap<DomTreeNode*, unsigned> DomLevels;
221
222     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
223     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
224   public:
225     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
226                    AliasSetTracker *ast)
227       : Allocas(A), DT(dt), DIB(0), AST(ast) {}
228     ~PromoteMem2Reg() {
229       delete DIB;
230     }
231
232     void run();
233
234     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
235     ///
236     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
237       return DT.dominates(BB1, BB2);
238     }
239
240   private:
241     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
242       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
243       Allocas.pop_back();
244       --AllocaIdx;
245     }
246
247     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
248       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
249       if (NP == 0)
250         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
251       return NP-1;
252     }
253
254     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
255                                  AllocaInfo &Info);
256     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
257                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
258                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
259     
260     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
261                                   LargeBlockInfo &LBI);
262     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
263                                   LargeBlockInfo &LBI);
264     
265     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
266                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
267                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
268     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
269   };
270   
271   struct AllocaInfo {
272     SmallVector<BasicBlock*, 32> DefiningBlocks;
273     SmallVector<BasicBlock*, 32> UsingBlocks;
274     
275     StoreInst  *OnlyStore;
276     BasicBlock *OnlyBlock;
277     bool OnlyUsedInOneBlock;
278     
279     Value *AllocaPointerVal;
280     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
281     
282     void clear() {
283       DefiningBlocks.clear();
284       UsingBlocks.clear();
285       OnlyStore = 0;
286       OnlyBlock = 0;
287       OnlyUsedInOneBlock = true;
288       AllocaPointerVal = 0;
289       DbgDeclare = 0;
290     }
291     
292     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
293     /// ivars.
294     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
295       clear();
296
297       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
298       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
299       // the same basic block.
300       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
301            UI != E;)  {
302         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
303
304         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
305           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
306           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
307           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
308           OnlyStore = SI;
309         } else {
310           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
311           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
312           // reads.
313           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
314           AllocaPointerVal = LI;
315         }
316         
317         if (OnlyUsedInOneBlock) {
318           if (OnlyBlock == 0)
319             OnlyBlock = User->getParent();
320           else if (OnlyBlock != User->getParent())
321             OnlyUsedInOneBlock = false;
322         }
323       }
324       
325       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
326     }
327   };
328
329   typedef std::pair<DomTreeNode*, unsigned> DomTreeNodePair;
330
331   struct DomTreeNodeCompare {
332     bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
333       return LHS.second < RHS.second;
334     }
335   };
336 }  // end of anonymous namespace
337
338
339 void PromoteMem2Reg::run() {
340   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
341
342   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
343   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
344
345   AllocaInfo Info;
346   LargeBlockInfo LBI;
347
348   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
349     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
350
351     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
352            "Cannot promote non-promotable alloca!");
353     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
354            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
355
356     if (AI->use_empty()) {
357       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
358       if (AST) AST->deleteValue(AI);
359       AI->eraseFromParent();
360
361       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
362       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
363       ++NumDeadAlloca;
364       continue;
365     }
366     
367     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
368     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
369     Info.AnalyzeAlloca(AI);
370
371     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
372     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
373     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
374       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
375
376       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
377       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
378         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's debuginfo.
379         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
380           if (!DIB)
381             DIB = new DIBuilder(*DDI->getParent()->getParent()->getParent());
382           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, *DIB);
383           DDI->eraseFromParent();
384         }
385         // Remove the (now dead) store and alloca.
386         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
387         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
388
389         if (AST) AST->deleteValue(AI);
390         AI->eraseFromParent();
391         LBI.deleteValue(AI);
392         
393         // The alloca has been processed, move on.
394         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
395         
396         ++NumSingleStore;
397         continue;
398       }
399     }
400     
401     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
402     // linear sweep over the block to eliminate it.
403     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
404       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
405       
406       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
407       // left.
408       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
409         
410         // Remove the (now dead) stores and alloca.
411         while (!AI->use_empty()) {
412           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
413           // Record debuginfo for the store before removing it.
414           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
415             if (!DIB)
416               DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
417             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
418           }
419           SI->eraseFromParent();
420           LBI.deleteValue(SI);
421         }
422         
423         if (AST) AST->deleteValue(AI);
424         AI->eraseFromParent();
425         LBI.deleteValue(AI);
426         
427         // The alloca has been processed, move on.
428         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
429         
430         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
431         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
432           DDI->eraseFromParent();
433
434         ++NumLocalPromoted;
435         continue;
436       }
437     }
438
439     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
440     if (DomLevels.empty()) {
441       SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
442
443       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
444       DomLevels[Root] = 0;
445       Worklist.push_back(Root);
446
447       while (!Worklist.empty()) {
448         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
449         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
450         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
451              CI != CE; ++CI) {
452           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
453           Worklist.push_back(*CI);
454         }
455       }
456     }
457
458     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
459     // now.
460     if (BBNumbers.empty()) {
461       unsigned ID = 0;
462       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
463         BBNumbers[I] = ID++;
464     }
465
466     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
467     // stored into the alloca.
468     if (AST)
469       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
470       
471     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
472     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
473     
474     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
475     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
476
477     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
478     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
479     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
480     // dead phi nodes.
481     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
482   }
483
484   if (Allocas.empty())
485     return; // All of the allocas must have been trivial!
486
487   LBI.clear();
488   
489   
490   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
491   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
492   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
493   //
494   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
495   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
496     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
497
498   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
499   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
500   //
501   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
502   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
503   do {
504     RenamePassData RPD;
505     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
506     RenamePassWorkList.pop_back();
507     // RenamePass may add new worklist entries.
508     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
509   } while (!RenamePassWorkList.empty());
510   
511   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
512   Visited.clear();
513
514   // Remove the allocas themselves from the function.
515   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
516     Instruction *A = Allocas[i];
517
518     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
519     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
520     // tree. Just delete the users now.
521     if (!A->use_empty())
522       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
523     if (AST) AST->deleteValue(A);
524     A->eraseFromParent();
525   }
526
527   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
528   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
529     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
530       DDI->eraseFromParent();
531
532   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
533   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
534   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
535   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
536   bool EliminatedAPHI = true;
537   while (EliminatedAPHI) {
538     EliminatedAPHI = false;
539     
540     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
541            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
542       PHINode *PN = I->second;
543
544       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
545       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, &DT)) {
546         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
547           AST->deleteValue(PN);
548         PN->replaceAllUsesWith(V);
549         PN->eraseFromParent();
550         NewPhiNodes.erase(I++);
551         EliminatedAPHI = true;
552         continue;
553       }
554       ++I;
555     }
556   }
557   
558   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
559   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
560   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
561   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
562   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
563   //
564   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
565          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
566     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
567     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
568     PHINode *SomePHI = I->second;
569     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
570     if (&BB->front() != SomePHI)
571       continue;
572
573     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
574     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
575     // number of incoming values, so we can just check any of them.
576     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
577       continue;
578
579     // Get the preds for BB.
580     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
581     
582     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
583     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
584     // access.
585     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
586     
587     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
588     // them from the Preds list.
589     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
590       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
591       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
592         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
593                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
594       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
595              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
596
597       // Remove the entry
598       Preds.erase(EntIt);
599     }
600
601     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
602     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
603     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
604     // mem2reg runs).
605     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
606     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
607     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
608            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
609       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
610       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
611         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
612     }
613   }
614         
615   NewPhiNodes.clear();
616 }
617
618
619 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
620 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
621 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
622 /// would be dead).
623 void PromoteMem2Reg::
624 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
625                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
626                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
627   
628   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
629   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
630   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
631   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
632                                                    Info.UsingBlocks.end());
633   
634   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
635   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
636   // the value isn't really live-in.
637   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
638     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
639     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
640     
641     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
642     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
643     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
644       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
645         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
646         
647         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
648         // actually live-in here.
649         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
650         LiveInBlockWorklist.pop_back();
651         --i, --e;
652         break;
653       }
654       
655       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
656         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
657         
658         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
659         // live into this block.
660         break;
661       }
662     }
663   }
664   
665   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
666   // their predecessors until we find the full region the value is live.
667   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
668     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
669     
670     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
671     // the set, then it has already been processed.
672     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
673       continue;
674     
675     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
676     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
677     // defining block.
678     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
679       BasicBlock *P = *PI;
680       
681       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
682       if (DefBlocks.count(P))
683         continue;
684       
685       // Otherwise it is, add to the worklist.
686       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
687     }
688   }
689 }
690
691 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
692 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
693 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
694 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
695 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
696                                              AllocaInfo &Info) {
697   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
698   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
699   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
700
701   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
702   // to uses.
703   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
704   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
705
706   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
707   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
708   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
709                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
710   IDFPriorityQueue PQ;
711
712   for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
713        E = DefBlocks.end(); I != E; ++I) {
714     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
715       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
716   }
717
718   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock*>, 32> DFBlocks;
719   SmallPtrSet<DomTreeNode*, 32> Visited;
720   SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
721   while (!PQ.empty()) {
722     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
723     PQ.pop();
724     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
725     unsigned RootLevel = RootPair.second;
726
727     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
728     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
729     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
730     // definition set.
731
732     Worklist.clear();
733     Worklist.push_back(Root);
734
735     while (!Worklist.empty()) {
736       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
737       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
738
739       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
740            ++SI) {
741         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
742
743         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
744         // of catching them below.
745         if (SuccNode->getIDom() == Node)
746           continue;
747
748         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
749         if (SuccLevel > RootLevel)
750           continue;
751
752         if (!Visited.insert(SuccNode))
753           continue;
754
755         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
756         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
757           continue;
758
759         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
760         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
761           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
762       }
763
764       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
765            ++CI) {
766         if (!Visited.count(*CI))
767           Worklist.push_back(*CI);
768       }
769     }
770   }
771
772   if (DFBlocks.size() > 1)
773     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
774
775   unsigned CurrentVersion = 0;
776   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
777     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
778 }
779
780 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
781 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
782 /// the value stored.
783 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
784                                               AllocaInfo &Info,
785                                               LargeBlockInfo &LBI) {
786   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
787   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
788   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
789   int StoreIndex = -1;
790
791   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
792   Info.UsingBlocks.clear();
793   
794   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
795     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
796     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
797       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
798       continue;
799     }
800     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
801     
802     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
803     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
804     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
805     // to insert the phi nodes as needed.
806     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
807       if (LI->getParent() == StoreBB) {
808         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
809         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
810         // load came before the store, we can't handle it.
811         if (StoreIndex == -1)
812           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
813
814         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
815           // Can't handle this load, bail out.
816           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
817           continue;
818         }
819         
820       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
821                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
822         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
823         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
824         // out.
825         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
826         continue;
827       }
828     }
829     
830     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
831     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
832     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
833     // code.
834     if (ReplVal == LI)
835       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
836     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
837     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
838       AST->deleteValue(LI);
839     LI->eraseFromParent();
840     LBI.deleteValue(LI);
841   }
842 }
843
844 namespace {
845
846 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
847 /// first element of a pair.
848 struct StoreIndexSearchPredicate {
849   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
850                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
851     return LHS.first < RHS.first;
852   }
853 };
854
855 }
856
857 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
858 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
859 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
860 /// the basic block using the Alloca.
861 ///
862 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
863 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
864 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
865 /// this is potentially correct:
866 ///
867 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
868 ///
869 /// ... so long as A is not used before undef is set.
870 ///
871 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
872                                               LargeBlockInfo &LBI) {
873   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
874   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
875   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
876   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
877   
878   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
879   Info.UsingBlocks.clear();
880   
881   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
882   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
883   StoresByIndexTy StoresByIndex;
884   
885   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
886        UI != E; ++UI) 
887     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
888       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
889
890   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
891   if (StoresByIndex.empty()) {
892     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
893       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
894         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
895         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
896           AST->deleteValue(LI);
897         LBI.deleteValue(LI);
898         LI->eraseFromParent();
899       }
900     return;
901   }
902   
903   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
904   // binary search.
905   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
906   
907   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
908   // store above them, if any.
909   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
910     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
911     if (!LI) continue;
912     
913     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
914     
915     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
916     StoresByIndexTy::iterator I = 
917       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
918                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
919                        StoreIndexSearchPredicate());
920     
921     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
922     if (I == StoresByIndex.begin()) {
923       // Can't handle this load, bail out.
924       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
925       continue;
926     }
927       
928     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
929     --I;
930     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
931     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
932       AST->deleteValue(LI);
933     LI->eraseFromParent();
934     LBI.deleteValue(LI);
935   }
936 }
937
938 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
939 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
940 //
941 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
942                                   unsigned &Version) {
943   // Look up the basic-block in question.
944   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
945
946   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
947   if (PN) return false;
948
949   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
950   // BasicBlock.
951   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
952                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
953                        BB->begin());
954   ++NumPHIInsert;
955   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
956
957   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
958     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
959
960   return true;
961 }
962
963 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
964 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
965 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
966 //
967 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
968                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
969                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
970 NextIteration:
971   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
972   // block.
973   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
974     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
975     // BB.
976     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
977       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
978       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
979       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
980       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
981       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
982       // operands so far.  Remember this count.
983       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
984       
985       unsigned NumEdges = 0;
986       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
987         if (*I == BB)
988           ++NumEdges;
989       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
990       
991       // Add entries for all the phis.
992       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
993       do {
994         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
995         
996         // Add N incoming values to the PHI node.
997         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
998           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
999         
1000         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1001         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1002         
1003         // Get the next phi node.
1004         ++PNI;
1005         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1006         if (APN == 0) break;
1007         
1008         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1009         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1010       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1011     }
1012   }
1013   
1014   // Don't revisit blocks.
1015   if (!Visited.insert(BB)) return;
1016
1017   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
1018     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1019
1020     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1021       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1022       if (!Src) continue;
1023   
1024       DenseMap<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1025       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
1026
1027       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1028
1029       // Anything using the load now uses the current value.
1030       LI->replaceAllUsesWith(V);
1031       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1032         AST->deleteValue(LI);
1033       BB->getInstList().erase(LI);
1034     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1035       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1036       // value
1037       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1038       if (!Dest) continue;
1039       
1040       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1041       if (ai == AllocaLookup.end())
1042         continue;
1043       
1044       // what value were we writing?
1045       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1046       // Record debuginfo for the store before removing it.
1047       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second]) {
1048         if (!DIB)
1049           DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
1050         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
1051       }
1052       BB->getInstList().erase(SI);
1053     }
1054   }
1055
1056   // 'Recurse' to our successors.
1057   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1058   if (I == E) return;
1059
1060   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1061   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1062
1063   // Handle the first successor without using the worklist.
1064   VisitedSuccs.insert(*I);
1065   Pred = BB;
1066   BB = *I;
1067   ++I;
1068
1069   for (; I != E; ++I)
1070     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1071       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1072
1073   goto NextIteration;
1074 }
1075
1076 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1077 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function does
1078 /// not modify the CFG of the function at all.  All allocas must be from the
1079 /// same function.
1080 ///
1081 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1082 /// made to the IR.
1083 ///
1084 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1085                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1086   // If there is nothing to do, bail out...
1087   if (Allocas.empty()) return;
1088
1089   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1090 }