Change the interface to PromoteMemToReg to also take a DominatorTree
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
2 //
3 // This file promote memory references to be register references.  It promotes
4 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
5 // transformed by using dominator frontiers to place PHI nodes, then traversing
6 // the function in depth-first order to rewrite loads and stores as appropriate.
7 // This is just the standard SSA construction algorithm.
8 //
9 //===----------------------------------------------------------------------===//
10
11 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
12 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
13 #include "llvm/iMemory.h"
14 #include "llvm/iPHINode.h"
15 #include "llvm/Function.h"
16 #include "llvm/Constant.h"
17 #include "llvm/Support/CFG.h"
18 #include "Support/StringExtras.h"
19
20 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
21 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca...
22 ///
23 bool isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI, const TargetData &TD) {
24   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
25   // assignments to subsections of the memory unit.
26
27   // Only allow direct loads and stores...
28   for (Value::use_const_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
29        UI != UE; ++UI)     // Loop over all of the uses of the alloca
30     if (!isa<LoadInst>(*UI))
31       if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI)) {
32         if (SI->getOperand(0) == AI)
33           return false;   // Don't allow a store of the AI, only INTO the AI.
34       } else {
35         return false;   // Not a load or store?
36       }
37   
38   return true;
39 }
40
41 namespace {
42   struct PromoteMem2Reg {
43     // Allocas - The alloca instructions being promoted
44     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
45     DominanceFrontier &DF;
46     const TargetData &TD;
47
48     // AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas
49     std::map<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
50
51     // NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
52     std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode*> > NewPhiNodes;
53
54     // Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
55     std::set<BasicBlock*> Visited;
56
57   public:
58     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominanceFrontier &df,
59                    const TargetData &td) : Allocas(A), DF(df), TD(td) {}
60
61     void run();
62
63   private:
64     void PromoteLocallyUsedAlloca(AllocaInst *AI);
65
66     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
67                     std::vector<Value*> &IncVals);
68     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
69   };
70 }  // end of anonymous namespace
71
72 void PromoteMem2Reg::run() {
73   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
74
75   for (unsigned i = 0; i != Allocas.size(); ++i) {
76     AllocaInst *AI = Allocas[i];
77
78     assert(isAllocaPromotable(AI, TD) &&
79            "Cannot promote non-promotable alloca!");
80     assert(Allocas[i]->getParent()->getParent() == &F &&
81            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
82
83     if (AI->use_empty()) {
84       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
85       AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
86
87       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
88       Allocas[i] = Allocas.back();
89       Allocas.pop_back();
90       --i;
91       continue;
92     }
93
94     // Calculate the set of write-locations for each alloca.  This is analogous
95     // to counting the number of 'redefinitions' of each variable.
96     std::vector<BasicBlock*> DefiningBlocks;
97
98     BasicBlock *OnlyBlock = 0;
99     bool OnlyUsedInOneBlock = true;
100
101     // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores, and
102     // decide whether all of the loads and stores to the alloca are within the
103     // same basic block.
104     for (Value::use_iterator U =AI->use_begin(), E = AI->use_end(); U != E;++U){
105       Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
106       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
107         // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
108         DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
109       }
110
111       if (OnlyUsedInOneBlock) {
112         if (OnlyBlock == 0)
113           OnlyBlock = User->getParent();
114         else if (OnlyBlock != User->getParent())
115           OnlyUsedInOneBlock = false;
116       }
117     }
118
119     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
120     // linear sweep over the block to eliminate it.
121     if (OnlyUsedInOneBlock) {
122       PromoteLocallyUsedAlloca(AI);
123
124       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
125       Allocas[i] = Allocas.back();
126       Allocas.pop_back();
127       --i;
128       continue;
129     }
130
131     AllocaLookup[Allocas[i]] = i;
132     
133     // PhiNodeBlocks - A list of blocks that phi nodes have been inserted for
134     // this alloca.
135     std::vector<BasicBlock*> PhiNodeBlocks;
136
137     // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
138     // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
139     //
140     unsigned CurrentVersion = 0;
141     while (!DefiningBlocks.empty()) {
142       BasicBlock *BB = DefiningBlocks.back();
143       DefiningBlocks.pop_back();
144
145       // Look up the DF for this write, add it to PhiNodes
146       DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
147       if (it != DF.end()) {
148         const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
149         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator P = S.begin(),PE = S.end();
150              P != PE; ++P)
151           if (QueuePhiNode(*P, i, CurrentVersion))
152             DefiningBlocks.push_back(*P);
153       }
154     }
155   }
156   
157   if (Allocas.empty())
158     return; // All of the allocas must have been trivial!
159
160   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
161   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
162   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
163   //
164   std::vector<Value *> Values(Allocas.size());
165   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
166     Values[i] = Constant::getNullValue(Allocas[i]->getAllocatedType());
167
168   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
169   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
170   //
171   RenamePass(F.begin(), 0, Values);
172
173   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
174   Visited.clear();
175
176   // Remove the allocas themselves from the function...
177   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
178     Instruction *A = Allocas[i];
179
180     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
181     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
182     // Just delete the users now.
183     //
184     if (!A->use_empty())
185       A->replaceAllUsesWith(Constant::getNullValue(A->getType()));
186     A->getParent()->getInstList().erase(A);
187   }
188
189   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
190   // code.  Unfortunately, there may be blocks which are not reachable, which
191   // the renamer hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
192   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
193   // created, inserting null constants if they are missing any incoming values.
194   //
195   for (std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode *> >::iterator I = 
196          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
197
198     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(I->first), pred_end(I->first));
199     std::vector<PHINode*> &PNs = I->second;
200     assert(!PNs.empty() && "Empty PHI node list??");
201
202     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
203     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
204     // number of incoming values, so we can just check any PHI node.
205     PHINode *FirstPHI;
206     for (unsigned i = 0; (FirstPHI = PNs[i]) == 0; ++i)
207       /*empty*/;
208
209     if (Preds.size() != FirstPHI->getNumIncomingValues()) {
210       // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
211       // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
212       // access.
213       std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
214
215       // Now we loop through all BB's which have entries in FirstPHI and remove
216       // them from the Preds list.
217       for (unsigned i = 0, e = FirstPHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
218         // Do a log(n) search of teh Preds list for the entry we want.
219         std::vector<BasicBlock*>::iterator EntIt =
220           std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
221                            FirstPHI->getIncomingBlock(i));
222         assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == FirstPHI->getIncomingBlock(i)&&
223                "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
224
225         // Remove the entry
226         Preds.erase(EntIt);
227       }
228
229       // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
230       // entries inserted into every PHI nodes for the block.
231       for (unsigned i = 0, e = PNs.size(); i != e; ++i) {
232         PHINode *PN = PNs[i];
233         Value *NullVal = Constant::getNullValue(PN->getType());
234         for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
235           PN->addIncoming(NullVal, Preds[pred]);
236       }
237     }
238   }
239 }
240
241 // PromoteLocallyUsedAlloca - Many allocas are only used within a single basic
242 // block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
243 // potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
244 // the basic block using the Alloca.
245 //
246 void PromoteMem2Reg::PromoteLocallyUsedAlloca(AllocaInst *AI) {
247   assert(!AI->use_empty() && "There are no uses of the alloca!");
248
249   // Uses of the uninitialized memory location shall get zero...
250   Value *CurVal = Constant::getNullValue(AI->getAllocatedType());
251   
252   BasicBlock *BB = cast<Instruction>(AI->use_back())->getParent();
253
254   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
255     Instruction *Inst = I++;
256     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst)) {
257       if (LI->getOperand(0) == AI) {
258         // Loads just return the "current value"...
259         LI->replaceAllUsesWith(CurVal);
260         BB->getInstList().erase(LI);
261       }
262     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
263       if (SI->getOperand(1) == AI) {
264         // Loads just update the "current value"...
265         CurVal = SI->getOperand(0);
266         BB->getInstList().erase(SI);
267       }
268     }
269   }
270
271   // After traversing the basic block, there should be no more uses of the
272   // alloca, remove it now.
273   assert(AI->use_empty() && "Uses of alloca from more than one BB??");
274   AI->getParent()->getInstList().erase(AI);
275 }
276
277 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
278 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
279 //
280 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
281                                   unsigned &Version) {
282   // Look up the basic-block in question
283   std::vector<PHINode*> &BBPNs = NewPhiNodes[BB];
284   if (BBPNs.empty()) BBPNs.resize(Allocas.size());
285
286   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
287   if (BBPNs[AllocaNo]) return false;
288
289   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
290   // BasicBlock.
291   BBPNs[AllocaNo] = new PHINode(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
292                                 Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
293                                         utostr(Version++), BB->begin());
294   return true;
295 }
296
297 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
298                                 std::vector<Value*> &IncomingVals) {
299
300   // If this BB needs a PHI node, update the PHI node for each variable we need
301   // PHI nodes for.
302   std::map<BasicBlock*, std::vector<PHINode *> >::iterator
303     BBPNI = NewPhiNodes.find(BB);
304   if (BBPNI != NewPhiNodes.end()) {
305     std::vector<PHINode *> &BBPNs = BBPNI->second;
306     for (unsigned k = 0; k != BBPNs.size(); ++k)
307       if (PHINode *PN = BBPNs[k]) {
308         // Add this incoming value to the PHI node.
309         PN->addIncoming(IncomingVals[k], Pred);
310
311         // The currently active variable for this block is now the PHI.
312         IncomingVals[k] = PN;
313       }
314   }
315
316   // don't revisit nodes
317   if (Visited.count(BB)) return;
318   
319   // mark as visited
320   Visited.insert(BB);
321
322   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
323     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
324
325     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
326       if (AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand())) {
327         std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
328         if (AI != AllocaLookup.end()) {
329           Value *V = IncomingVals[AI->second];
330
331           // walk the use list of this load and replace all uses with r
332           LI->replaceAllUsesWith(V);
333           BB->getInstList().erase(LI);
334         }
335       }
336     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
337       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
338       // value
339       if (AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand())) {
340         std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
341         if (ai != AllocaLookup.end()) {
342           // what value were we writing?
343           IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
344           BB->getInstList().erase(SI);
345         }
346       }
347     }
348   }
349
350   // Recurse to our successors
351   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
352   for (unsigned i = 0; i != TI->getNumSuccessors(); i++) {
353     std::vector<Value*> OutgoingVals(IncomingVals);
354     RenamePass(TI->getSuccessor(i), BB, OutgoingVals);
355   }
356 }
357
358 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
359 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
360 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
361 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
362 ///
363 void PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
364                      DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
365                      const TargetData &TD) {
366   // If there is nothing to do, bail out...
367   if (Allocas.empty()) return;
368   PromoteMem2Reg(Allocas, DF, TD).run();
369 }