Let AnalyzeAlloca() remove debug intrinsics.
[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     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
281     /// ivars.
282     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
283       clear();
284
285       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
286       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
287       // the same basic block.
288       for (Value::use_iterator U = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
289            U != E;)  {
290         Instruction *User = cast<Instruction>(*U);
291         ++U;
292         if (BitCastInst *BC = dyn_cast<BitCastInst>(User)) {
293           // Remove any uses of this alloca in DbgInfoInstrinsics.
294           assert(BC->hasOneUse() && "Unexpected alloca uses!");
295           DbgInfoIntrinsic *DI = cast<DbgInfoIntrinsic>(*BC->use_begin());
296           DI->eraseFromParent();
297           BC->eraseFromParent();
298           continue;
299         } 
300         else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
301           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
302           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
303           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
304           OnlyStore = SI;
305         } else {
306           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
307           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
308           // reads.
309           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
310           AllocaPointerVal = LI;
311         }
312         
313         if (OnlyUsedInOneBlock) {
314           if (OnlyBlock == 0)
315             OnlyBlock = User->getParent();
316           else if (OnlyBlock != User->getParent())
317             OnlyUsedInOneBlock = false;
318         }
319       }
320     }
321   };
322 }  // end of anonymous namespace
323
324
325 void PromoteMem2Reg::run() {
326   Function &F = *DF.getRoot()->getParent();
327
328   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
329
330   AllocaInfo Info;
331   LargeBlockInfo LBI;
332
333   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
334     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
335
336     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
337            "Cannot promote non-promotable alloca!");
338     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
339            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
340
341     if (AI->use_empty()) {
342       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
343       if (AST) AST->deleteValue(AI);
344       AI->eraseFromParent();
345
346       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
347       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
348       ++NumDeadAlloca;
349       continue;
350     }
351     
352     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
353     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
354     Info.AnalyzeAlloca(AI);
355
356     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
357     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
358     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
359       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
360
361       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
362       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
363         // Remove the (now dead) store and alloca.
364         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
365         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
366
367         if (AST) AST->deleteValue(AI);
368         AI->eraseFromParent();
369         LBI.deleteValue(AI);
370         
371         // The alloca has been processed, move on.
372         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
373         
374         ++NumSingleStore;
375         continue;
376       }
377     }
378     
379     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
380     // linear sweep over the block to eliminate it.
381     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
382       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
383       
384       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
385       // left.
386       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
387         
388         // Remove the (now dead) stores and alloca.
389         while (!AI->use_empty()) {
390           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
391           SI->eraseFromParent();
392           LBI.deleteValue(SI);
393         }
394         
395         if (AST) AST->deleteValue(AI);
396         AI->eraseFromParent();
397         LBI.deleteValue(AI);
398         
399         // The alloca has been processed, move on.
400         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
401         
402         ++NumLocalPromoted;
403         continue;
404       }
405     }
406     
407     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
408     // now.
409     if (BBNumbers.empty()) {
410       unsigned ID = 0;
411       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
412         BBNumbers[I] = ID++;
413     }
414
415     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
416     // stored into the alloca.
417     if (AST)
418       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
419     
420     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
421     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
422
423     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
424     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
425     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
426     // dead phi nodes.
427     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
428   }
429
430   if (Allocas.empty())
431     return; // All of the allocas must have been trivial!
432
433   LBI.clear();
434   
435   
436   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
437   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
438   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
439   //
440   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
441   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
442     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
443
444   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
445   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
446   //
447   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
448   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
449   while (!RenamePassWorkList.empty()) {
450     RenamePassData RPD;
451     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
452     RenamePassWorkList.pop_back();
453     // RenamePass may add new worklist entries.
454     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
455   }
456   
457   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
458   Visited.clear();
459
460   // Remove the allocas themselves from the function.
461   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
462     Instruction *A = Allocas[i];
463
464     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
465     // sections of dead code that were not processed on the dominance frontier.
466     // Just delete the users now.
467     //
468     if (!A->use_empty())
469       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
470     if (AST) AST->deleteValue(A);
471     A->eraseFromParent();
472   }
473
474   
475   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
476   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
477   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
478   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
479   bool EliminatedAPHI = true;
480   while (EliminatedAPHI) {
481     EliminatedAPHI = false;
482     
483     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
484            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
485       PHINode *PN = I->second;
486       
487       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
488       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
489         if (!isa<Instruction>(V) ||
490             properlyDominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
491           if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
492             AST->deleteValue(PN);
493           PN->replaceAllUsesWith(V);
494           PN->eraseFromParent();
495           NewPhiNodes.erase(I++);
496           EliminatedAPHI = true;
497           continue;
498         }
499       }
500       ++I;
501     }
502   }
503   
504   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
505   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
506   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
507   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
508   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
509   //
510   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
511          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
512     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
513     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
514     PHINode *SomePHI = I->second;
515     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
516     if (&BB->front() != SomePHI)
517       continue;
518
519     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
520     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
521     // number of incoming values, so we can just check any of them.
522     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
523       continue;
524
525     // Get the preds for BB.
526     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
527     
528     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
529     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
530     // access.
531     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
532     
533     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
534     // them from the Preds list.
535     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
536       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
537       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
538         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
539                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
540       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
541              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
542
543       // Remove the entry
544       Preds.erase(EntIt);
545     }
546
547     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
548     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
549     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
550     // mem2reg runs).
551     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
552     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
553     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
554            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
555       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
556       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
557         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
558     }
559   }
560         
561   NewPhiNodes.clear();
562 }
563
564
565 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
566 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
567 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
568 /// would be dead).
569 void PromoteMem2Reg::
570 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
571                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
572                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
573   
574   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
575   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
576   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
577   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist;
578   LiveInBlockWorklist.insert(LiveInBlockWorklist.end(), 
579                              Info.UsingBlocks.begin(), Info.UsingBlocks.end());
580   
581   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
582   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
583   // the value isn't really live-in.
584   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
585     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
586     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
587     
588     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
589     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
590     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
591       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
592         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
593         
594         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
595         // actually live-in here.
596         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
597         LiveInBlockWorklist.pop_back();
598         --i, --e;
599         break;
600       } else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
601         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
602         
603         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
604         // live into this block.
605         break;
606       }
607     }
608   }
609   
610   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
611   // their predecessors until we find the full region the value is live.
612   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
613     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.back();
614     LiveInBlockWorklist.pop_back();
615     
616     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
617     // the set, then it has already been processed.
618     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
619       continue;
620     
621     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
622     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
623     // defining block.
624     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
625       BasicBlock *P = *PI;
626       
627       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
628       if (DefBlocks.count(P))
629         continue;
630       
631       // Otherwise it is, add to the worklist.
632       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
633     }
634   }
635 }
636
637 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
638 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
639 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
640 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
641 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
642                                              AllocaInfo &Info) {
643
644   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
645   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
646   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
647
648   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
649   // to uses.
650   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
651   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
652
653   // Compute the locations where PhiNodes need to be inserted.  Look at the
654   // dominance frontier of EACH basic-block we have a write in.
655   unsigned CurrentVersion = 0;
656   SmallPtrSet<PHINode*, 16> InsertedPHINodes;
657   std::vector<std::pair<unsigned, BasicBlock*> > DFBlocks;
658   while (!Info.DefiningBlocks.empty()) {
659     BasicBlock *BB = Info.DefiningBlocks.back();
660     Info.DefiningBlocks.pop_back();
661     
662     // Look up the DF for this write, add it to defining blocks.
663     DominanceFrontier::const_iterator it = DF.find(BB);
664     if (it == DF.end()) continue;
665     
666     const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
667     
668     // In theory we don't need the indirection through the DFBlocks vector.
669     // In practice, the order of calling QueuePhiNode would depend on the
670     // (unspecified) ordering of basic blocks in the dominance frontier,
671     // which would give PHI nodes non-determinstic subscripts.  Fix this by
672     // processing blocks in order of the occurance in the function.
673     for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
674          PE = S.end(); P != PE; ++P) {
675       // If the frontier block is not in the live-in set for the alloca, don't
676       // bother processing it.
677       if (!LiveInBlocks.count(*P))
678         continue;
679       
680       DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[*P], *P));
681     }
682     
683     // Sort by which the block ordering in the function.
684     if (DFBlocks.size() > 1)
685       std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
686     
687     for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i) {
688       BasicBlock *BB = DFBlocks[i].second;
689       if (QueuePhiNode(BB, AllocaNum, CurrentVersion, InsertedPHINodes))
690         Info.DefiningBlocks.push_back(BB);
691     }
692     DFBlocks.clear();
693   }
694 }
695
696 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
697 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
698 /// the value stored.
699 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
700                                               AllocaInfo &Info,
701                                               LargeBlockInfo &LBI) {
702   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
703   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
704   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
705   int StoreIndex = -1;
706
707   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
708   Info.UsingBlocks.clear();
709   
710   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
711     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
712     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
713       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
714       continue;
715     }
716     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
717     
718     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
719     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
720     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
721     // to insert the phi nodes as needed.
722     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
723       if (LI->getParent() == StoreBB) {
724         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
725         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
726         // load came before the store, we can't handle it.
727         if (StoreIndex == -1)
728           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
729
730         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
731           // Can't handle this load, bail out.
732           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
733           continue;
734         }
735         
736       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
737                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
738         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
739         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
740         // out.
741         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
742         continue;
743       }
744     }
745     
746     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
747     LI->replaceAllUsesWith(OnlyStore->getOperand(0));
748     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
749       AST->deleteValue(LI);
750     LI->eraseFromParent();
751     LBI.deleteValue(LI);
752   }
753 }
754
755
756 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
757 /// first element of a pair.
758 struct StoreIndexSearchPredicate {
759   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
760                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
761     return LHS.first < RHS.first;
762   }
763 };
764
765 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
766 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
767 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
768 /// the basic block using the Alloca.
769 ///
770 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
771 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
772 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
773 /// this is potentially correct:
774 ///
775 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
776 ///
777 /// ... so long as A is not used before undef is set.
778 ///
779 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
780                                               LargeBlockInfo &LBI) {
781   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
782   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
783   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
784   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
785   
786   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
787   Info.UsingBlocks.clear();
788   
789   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
790   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
791   StoresByIndexTy StoresByIndex;
792   
793   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
794        UI != E; ++UI) 
795     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
796       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
797
798   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
799   if (StoresByIndex.empty()) {
800     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
801       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
802         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
803         if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
804           AST->deleteValue(LI);
805         LBI.deleteValue(LI);
806         LI->eraseFromParent();
807       }
808     return;
809   }
810   
811   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
812   // binary search.
813   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
814   
815   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
816   // store above them, if any.
817   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
818     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
819     if (!LI) continue;
820     
821     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
822     
823     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
824     StoresByIndexTy::iterator I = 
825       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
826                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, 0),
827                        StoreIndexSearchPredicate());
828     
829     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
830     if (I == StoresByIndex.begin()) {
831       // Can't handle this load, bail out.
832       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
833       continue;
834     }
835       
836     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
837     --I;
838     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
839     if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
840       AST->deleteValue(LI);
841     LI->eraseFromParent();
842     LBI.deleteValue(LI);
843   }
844 }
845
846
847 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
848 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
849 //
850 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
851                                   unsigned &Version,
852                                   SmallPtrSet<PHINode*, 16> &InsertedPHINodes) {
853   // Look up the basic-block in question.
854   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
855
856   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
857   if (PN) return false;
858
859   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
860   // BasicBlock.
861   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(),
862                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." +
863                        utostr(Version++), BB->begin());
864   ++NumPHIInsert;
865   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
866   PN->reserveOperandSpace(getNumPreds(BB));
867   
868   InsertedPHINodes.insert(PN);
869
870   if (AST && isa<PointerType>(PN->getType()))
871     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
872
873   return true;
874 }
875
876 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
877 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
878 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
879 //
880 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
881                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
882                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
883 NextIteration:
884   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
885   // block.
886   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
887     // Pred may have multiple edges to BB.  If so, we want to add N incoming
888     // values to each PHI we are inserting on the first time we see the edge.
889     // Check to see if APN already has incoming values from Pred.  This also
890     // prevents us from modifying PHI nodes that are not currently being
891     // inserted.
892     bool HasPredEntries = false;
893     for (unsigned i = 0, e = APN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
894       if (APN->getIncomingBlock(i) == Pred) {
895         HasPredEntries = true;
896         break;
897       }
898     }
899     
900     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
901     // BB.
902     if (!HasPredEntries) {
903       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
904       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
905       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
906       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
907       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
908       // operands so far.  Remember this count.
909       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
910       
911       unsigned NumEdges = 0;
912       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
913         if (*I == BB)
914           ++NumEdges;
915       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
916       
917       // Add entries for all the phis.
918       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
919       do {
920         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
921         
922         // Add N incoming values to the PHI node.
923         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
924           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
925         
926         // The currently active variable for this block is now the PHI.
927         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
928         
929         // Get the next phi node.
930         ++PNI;
931         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
932         if (APN == 0) break;
933         
934         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
935         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
936       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
937     }
938   }
939   
940   // Don't revisit blocks.
941   if (!Visited.insert(BB)) return;
942
943   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
944     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
945
946     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
947       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
948       if (!Src) continue;
949   
950       std::map<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
951       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
952
953       Value *V = IncomingVals[AI->second];
954
955       // Anything using the load now uses the current value.
956       LI->replaceAllUsesWith(V);
957       if (AST && isa<PointerType>(LI->getType()))
958         AST->deleteValue(LI);
959       BB->getInstList().erase(LI);
960     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
961       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
962       // value
963       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
964       if (!Dest) continue;
965       
966       std::map<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
967       if (ai == AllocaLookup.end())
968         continue;
969       
970       // what value were we writing?
971       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
972       BB->getInstList().erase(SI);
973     }
974   }
975
976   // 'Recurse' to our successors.
977   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
978   if (I == E) return;
979
980   // Handle the last successor without using the worklist.  This allows us to
981   // handle unconditional branches directly, for example.
982   --E;
983   for (; I != E; ++I)
984     Worklist.push_back(RenamePassData(*I, BB, IncomingVals));
985
986   Pred = BB;
987   BB = *I;
988   goto NextIteration;
989 }
990
991 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
992 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function makes
993 /// use of DominanceFrontier information.  This function does not modify the CFG
994 /// of the function at all.  All allocas must be from the same function.
995 ///
996 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
997 /// made to the IR.
998 ///
999 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1000                            DominatorTree &DT, DominanceFrontier &DF,
1001                            AliasSetTracker *AST) {
1002   // If there is nothing to do, bail out...
1003   if (Allocas.empty()) return;
1004
1005   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, DF, AST).run();
1006 }