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