lib/Transforms/Utils/SSAUpdater.cpp

   1 //===- SSAUpdater.cpp - Unstructured SSA Update Tool ----------------------===//
   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 implements the SSAUpdater class.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #define DEBUG_TYPE "ssaupdater"
  15 #include "llvm/Constants.h"
  16 #include "llvm/Instructions.h"
  17 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
  18 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  19 #include "llvm/ADT/TinyPtrVector.h"
  20 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  21 #include "llvm/Support/AlignOf.h"
  22 #include "llvm/Support/Allocator.h"
  23 #include "llvm/Support/CFG.h"
  24 #include "llvm/Support/Debug.h"
  25 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  26 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  27 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  28 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
  29 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdaterImpl.h"
  30
  31 using namespace llvm;
  32
  33 typedef DenseMap<BasicBlock*, Value*> AvailableValsTy;
  34 static AvailableValsTy &getAvailableVals(void *AV) {
  35   return *static_cast<AvailableValsTy*>(AV);
  36 }
  37
  38 SSAUpdater::SSAUpdater(SmallVectorImpl<PHINode*> *NewPHI)
  39   : AV(0), ProtoType(0), ProtoName(), InsertedPHIs(NewPHI) {}
  40
  41 SSAUpdater::~SSAUpdater() {
  42   delete &getAvailableVals(AV);
  43 }
  44
  45 /// Initialize - Reset this object to get ready for a new set of SSA
  46 /// updates with type 'Ty'.  PHI nodes get a name based on 'Name'.
  47 void SSAUpdater::Initialize(Type *Ty, StringRef Name) {
  48   if (AV == 0)
  49     AV = new AvailableValsTy();
  50   else
  51     getAvailableVals(AV).clear();
  52   ProtoType = Ty;
  53   ProtoName = Name;
  54 }
  55
  56 /// HasValueForBlock - Return true if the SSAUpdater already has a value for
  57 /// the specified block.
  58 bool SSAUpdater::HasValueForBlock(BasicBlock *BB) const {
  59   return getAvailableVals(AV).count(BB);
  60 }
  61
  62 /// AddAvailableValue - Indicate that a rewritten value is available in the
  63 /// specified block with the specified value.
  64 void SSAUpdater::AddAvailableValue(BasicBlock *BB, Value *V) {
  65   assert(ProtoType != 0 && "Need to initialize SSAUpdater");
  66   assert(ProtoType == V->getType() &&
  67          "All rewritten values must have the same type");
  68   getAvailableVals(AV)[BB] = V;
  69 }
  70
  71 /// IsEquivalentPHI - Check if PHI has the same incoming value as specified
  72 /// in ValueMapping for each predecessor block.
  73 static bool IsEquivalentPHI(PHINode *PHI,
  74                             DenseMap<BasicBlock*, Value*> &ValueMapping) {
  75   unsigned PHINumValues = PHI->getNumIncomingValues();
  76   if (PHINumValues != ValueMapping.size())
  77     return false;
  78
  79   // Scan the phi to see if it matches.
  80   for (unsigned i = 0, e = PHINumValues; i != e; ++i)
  81     if (ValueMapping[PHI->getIncomingBlock(i)] !=
  82         PHI->getIncomingValue(i)) {
  83       return false;
  84     }
  85
  86   return true;
  87 }
  88
  89 /// GetValueAtEndOfBlock - Construct SSA form, materializing a value that is
  90 /// live at the end of the specified block.
  91 Value *SSAUpdater::GetValueAtEndOfBlock(BasicBlock *BB) {
  92   Value *Res = GetValueAtEndOfBlockInternal(BB);
  93   return Res;
  94 }
  95
  96 /// GetValueInMiddleOfBlock - Construct SSA form, materializing a value that
  97 /// is live in the middle of the specified block.
  98 ///
  99 /// GetValueInMiddleOfBlock is the same as GetValueAtEndOfBlock except in one
 100 /// important case: if there is a definition of the rewritten value after the
 101 /// 'use' in BB.  Consider code like this:
 102 ///
 103 ///      X1 = ...
 104 ///   SomeBB:
 105 ///      use(X)
 106 ///      X2 = ...
 107 ///      br Cond, SomeBB, OutBB
 108 ///
 109 /// In this case, there are two values (X1 and X2) added to the AvailableVals
 110 /// set by the client of the rewriter, and those values are both live out of
 111 /// their respective blocks.  However, the use of X happens in the *middle* of
 112 /// a block.  Because of this, we need to insert a new PHI node in SomeBB to
 113 /// merge the appropriate values, and this value isn't live out of the block.
 114 ///
 115 Value *SSAUpdater::GetValueInMiddleOfBlock(BasicBlock *BB) {
 116   // If there is no definition of the renamed variable in this block, just use
 117   // GetValueAtEndOfBlock to do our work.
 118   if (!HasValueForBlock(BB))
 119     return GetValueAtEndOfBlock(BB);
 120
 121   // Otherwise, we have the hard case.  Get the live-in values for each
 122   // predecessor.
 123   SmallVector<std::pair<BasicBlock*, Value*>, 8> PredValues;
 124   Value *SingularValue = 0;
 125
 126   // We can get our predecessor info by walking the pred_iterator list, but it
 127   // is relatively slow.  If we already have PHI nodes in this block, walk one
 128   // of them to get the predecessor list instead.
 129   if (PHINode *SomePhi = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
 130     for (unsigned i = 0, e = SomePhi->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 131       BasicBlock *PredBB = SomePhi->getIncomingBlock(i);
 132       Value *PredVal = GetValueAtEndOfBlock(PredBB);
 133       PredValues.push_back(std::make_pair(PredBB, PredVal));
 134
 135       // Compute SingularValue.
 136       if (i == 0)
 137         SingularValue = PredVal;
 138       else if (PredVal != SingularValue)
 139         SingularValue = 0;
 140     }
 141   } else {
 142     bool isFirstPred = true;
 143     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
 144       BasicBlock *PredBB = *PI;
 145       Value *PredVal = GetValueAtEndOfBlock(PredBB);
 146       PredValues.push_back(std::make_pair(PredBB, PredVal));
 147
 148       // Compute SingularValue.
 149       if (isFirstPred) {
 150         SingularValue = PredVal;
 151         isFirstPred = false;
 152       } else if (PredVal != SingularValue)
 153         SingularValue = 0;
 154     }
 155   }
 156
 157   // If there are no predecessors, just return undef.
 158   if (PredValues.empty())
 159     return UndefValue::get(ProtoType);
 160
 161   // Otherwise, if all the merged values are the same, just use it.
 162   if (SingularValue != 0)
 163     return SingularValue;
 164
 165   // Otherwise, we do need a PHI: check to see if we already have one available
 166   // in this block that produces the right value.
 167   if (isa<PHINode>(BB->begin())) {
 168     DenseMap<BasicBlock*, Value*> ValueMapping(PredValues.begin(),
 169                                                PredValues.end());
 170     PHINode *SomePHI;
 171     for (BasicBlock::iterator It = BB->begin();
 172          (SomePHI = dyn_cast<PHINode>(It)); ++It) {
 173       if (IsEquivalentPHI(SomePHI, ValueMapping))
 174         return SomePHI;
 175     }
 176   }
 177
 178   // Ok, we have no way out, insert a new one now.
 179   PHINode *InsertedPHI = PHINode::Create(ProtoType, PredValues.size(),
 180                                          ProtoName, &BB->front());
 181
 182   // Fill in all the predecessors of the PHI.
 183   for (unsigned i = 0, e = PredValues.size(); i != e; ++i)
 184     InsertedPHI->addIncoming(PredValues[i].second, PredValues[i].first);
 185
 186   // See if the PHI node can be merged to a single value.  This can happen in
 187   // loop cases when we get a PHI of itself and one other value.
 188   if (Value *V = SimplifyInstruction(InsertedPHI)) {
 189     InsertedPHI->eraseFromParent();
 190     return V;
 191   }
 192
 193   // Set DebugLoc.
 194   InsertedPHI->setDebugLoc(GetFirstDebugLocInBasicBlock(BB));
 195
 196   // If the client wants to know about all new instructions, tell it.
 197   if (InsertedPHIs) InsertedPHIs->push_back(InsertedPHI);
 198
 199   DEBUG(dbgs() << "  Inserted PHI: " << *InsertedPHI << "\n");
 200   return InsertedPHI;
 201 }
 202
 203 /// RewriteUse - Rewrite a use of the symbolic value.  This handles PHI nodes,
 204 /// which use their value in the corresponding predecessor.
 205 void SSAUpdater::RewriteUse(Use &U) {
 206   Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
 207
 208   Value *V;
 209   if (PHINode *UserPN = dyn_cast<PHINode>(User))
 210     V = GetValueAtEndOfBlock(UserPN->getIncomingBlock(U));
 211   else
 212     V = GetValueInMiddleOfBlock(User->getParent());
 213
 214   U.set(V);
 215 }
 216
 217 /// RewriteUseAfterInsertions - Rewrite a use, just like RewriteUse.  However,
 218 /// this version of the method can rewrite uses in the same block as a
 219 /// definition, because it assumes that all uses of a value are below any
 220 /// inserted values.
 221 void SSAUpdater::RewriteUseAfterInsertions(Use &U) {
 222   Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
 223
 224   Value *V;
 225   if (PHINode *UserPN = dyn_cast<PHINode>(User))
 226     V = GetValueAtEndOfBlock(UserPN->getIncomingBlock(U));
 227   else
 228     V = GetValueAtEndOfBlock(User->getParent());
 229
 230   U.set(V);
 231 }
 232
 233 /// SSAUpdaterTraits<SSAUpdater> - Traits for the SSAUpdaterImpl template,
 234 /// specialized for SSAUpdater.
 235 namespace llvm {
 236 template<>
 237 class SSAUpdaterTraits<SSAUpdater> {
 238 public:
 239   typedef BasicBlock BlkT;
 240   typedef Value *ValT;
 241   typedef PHINode PhiT;
 242
 243   typedef succ_iterator BlkSucc_iterator;
 244   static BlkSucc_iterator BlkSucc_begin(BlkT *BB) { return succ_begin(BB); }
 245   static BlkSucc_iterator BlkSucc_end(BlkT *BB) { return succ_end(BB); }
 246
 247   class PHI_iterator {
 248   private:
 249     PHINode *PHI;
 250     unsigned idx;
 251
 252   public:
 253     explicit PHI_iterator(PHINode *P) // begin iterator
 254       : PHI(P), idx(0) {}
 255     PHI_iterator(PHINode *P, bool) // end iterator
 256       : PHI(P), idx(PHI->getNumIncomingValues()) {}
 257
 258     PHI_iterator &operator++() { ++idx; return *this; }
 259     bool operator==(const PHI_iterator& x) const { return idx == x.idx; }
 260     bool operator!=(const PHI_iterator& x) const { return !operator==(x); }
 261     Value *getIncomingValue() { return PHI->getIncomingValue(idx); }
 262     BasicBlock *getIncomingBlock() { return PHI->getIncomingBlock(idx); }
 263   };
 264
 265   static PHI_iterator PHI_begin(PhiT *PHI) { return PHI_iterator(PHI); }
 266   static PHI_iterator PHI_end(PhiT *PHI) {
 267     return PHI_iterator(PHI, true);
 268   }
 269
 270   /// FindPredecessorBlocks - Put the predecessors of Info->BB into the Preds
 271   /// vector, set Info->NumPreds, and allocate space in Info->Preds.
 272   static void FindPredecessorBlocks(BasicBlock *BB,
 273                                     SmallVectorImpl<BasicBlock*> *Preds) {
 274     // We can get our predecessor info by walking the pred_iterator list,
 275     // but it is relatively slow.  If we already have PHI nodes in this
 276     // block, walk one of them to get the predecessor list instead.
 277     if (PHINode *SomePhi = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
 278       for (unsigned PI = 0, E = SomePhi->getNumIncomingValues(); PI != E; ++PI)
 279         Preds->push_back(SomePhi->getIncomingBlock(PI));
 280     } else {
 281       for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI)
 282         Preds->push_back(*PI);
 283     }
 284   }
 285
 286   /// GetUndefVal - Get an undefined value of the same type as the value
 287   /// being handled.
 288   static Value *GetUndefVal(BasicBlock *BB, SSAUpdater *Updater) {
 289     return UndefValue::get(Updater->ProtoType);
 290   }
 291
 292   /// CreateEmptyPHI - Create a new PHI instruction in the specified block.
 293   /// Reserve space for the operands but do not fill them in yet.
 294   static Value *CreateEmptyPHI(BasicBlock *BB, unsigned NumPreds,
 295                                SSAUpdater *Updater) {
 296     PHINode *PHI = PHINode::Create(Updater->ProtoType, NumPreds,
 297                                    Updater->ProtoName, &BB->front());
 298     return PHI;
 299   }
 300
 301   /// AddPHIOperand - Add the specified value as an operand of the PHI for
 302   /// the specified predecessor block.
 303   static void AddPHIOperand(PHINode *PHI, Value *Val, BasicBlock *Pred) {
 304     PHI->addIncoming(Val, Pred);
 305   }
 306
 307   /// InstrIsPHI - Check if an instruction is a PHI.
 308   ///
 309   static PHINode *InstrIsPHI(Instruction *I) {
 310     return dyn_cast<PHINode>(I);
 311   }
 312
 313   /// ValueIsPHI - Check if a value is a PHI.
 314   ///
 315   static PHINode *ValueIsPHI(Value *Val, SSAUpdater *Updater) {
 316     return dyn_cast<PHINode>(Val);
 317   }
 318
 319   /// ValueIsNewPHI - Like ValueIsPHI but also check if the PHI has no source
 320   /// operands, i.e., it was just added.
 321   static PHINode *ValueIsNewPHI(Value *Val, SSAUpdater *Updater) {
 322     PHINode *PHI = ValueIsPHI(Val, Updater);
 323     if (PHI && PHI->getNumIncomingValues() == 0)
 324       return PHI;
 325     return 0;
 326   }
 327
 328   /// GetPHIValue - For the specified PHI instruction, return the value
 329   /// that it defines.
 330   static Value *GetPHIValue(PHINode *PHI) {
 331     return PHI;
 332   }
 333 };
 334
 335 } // End llvm namespace
 336
 337 /// GetValueAtEndOfBlockInternal - Check to see if AvailableVals has an entry
 338 /// for the specified BB and if so, return it.  If not, construct SSA form by
 339 /// first calculating the required placement of PHIs and then inserting new
 340 /// PHIs where needed.
 341 Value *SSAUpdater::GetValueAtEndOfBlockInternal(BasicBlock *BB) {
 342   AvailableValsTy &AvailableVals = getAvailableVals(AV);
 343   if (Value *V = AvailableVals[BB])
 344     return V;
 345
 346   SSAUpdaterImpl<SSAUpdater> Impl(this, &AvailableVals, InsertedPHIs);
 347   return Impl.GetValue(BB);
 348 }
 349
 350 //===----------------------------------------------------------------------===//
 351 // LoadAndStorePromoter Implementation
 352 //===----------------------------------------------------------------------===//
 353
 354 LoadAndStorePromoter::
 355 LoadAndStorePromoter(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts,
 356                      SSAUpdater &S, StringRef BaseName) : SSA(S) {
 357   if (Insts.empty()) return;
 358
 359   Value *SomeVal;
 360   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Insts[0]))
 361     SomeVal = LI;
 362   else
 363     SomeVal = cast<StoreInst>(Insts[0])->getOperand(0);
 364
 365   if (BaseName.empty())
 366     BaseName = SomeVal->getName();
 367   SSA.Initialize(SomeVal->getType(), BaseName);
 368 }
 369
 370
 371 void LoadAndStorePromoter::
 372 run(const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts) const {
 373
 374   // First step: bucket up uses of the alloca by the block they occur in.
 375   // This is important because we have to handle multiple defs/uses in a block
 376   // ourselves: SSAUpdater is purely for cross-block references.
 377   DenseMap<BasicBlock*, TinyPtrVector<Instruction*> > UsesByBlock;
 378
 379   for (unsigned i = 0, e = Insts.size(); i != e; ++i) {
 380     Instruction *User = Insts[i];
 381     UsesByBlock[User->getParent()].push_back(User);
 382   }
 383
 384   // Okay, now we can iterate over all the blocks in the function with uses,
 385   // processing them.  Keep track of which loads are loading a live-in value.
 386   // Walk the uses in the use-list order to be determinstic.
 387   SmallVector<LoadInst*, 32> LiveInLoads;
 388   DenseMap<Value*, Value*> ReplacedLoads;
 389
 390   for (unsigned i = 0, e = Insts.size(); i != e; ++i) {
 391     Instruction *User = Insts[i];
 392     BasicBlock *BB = User->getParent();
 393     TinyPtrVector<Instruction*> &BlockUses = UsesByBlock[BB];
 394
 395     // If this block has already been processed, ignore this repeat use.
 396     if (BlockUses.empty()) continue;
 397
 398     // Okay, this is the first use in the block.  If this block just has a
 399     // single user in it, we can rewrite it trivially.
 400     if (BlockUses.size() == 1) {
 401       // If it is a store, it is a trivial def of the value in the block.
 402       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
 403         updateDebugInfo(SI);
 404         SSA.AddAvailableValue(BB, SI->getOperand(0));
 405       } else
 406         // Otherwise it is a load, queue it to rewrite as a live-in load.
 407         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(User));
 408       BlockUses.clear();
 409       continue;
 410     }
 411
 412     // Otherwise, check to see if this block is all loads.
 413     bool HasStore = false;
 414     for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i) {
 415       if (isa<StoreInst>(BlockUses[i])) {
 416         HasStore = true;
 417         break;
 418       }
 419     }
 420
 421     // If so, we can queue them all as live in loads.  We don't have an
 422     // efficient way to tell which on is first in the block and don't want to
 423     // scan large blocks, so just add all loads as live ins.
 424     if (!HasStore) {
 425       for (unsigned i = 0, e = BlockUses.size(); i != e; ++i)
 426         LiveInLoads.push_back(cast<LoadInst>(BlockUses[i]));
 427       BlockUses.clear();
 428       continue;
 429     }
 430
 431     // Otherwise, we have mixed loads and stores (or just a bunch of stores).
 432     // Since SSAUpdater is purely for cross-block values, we need to determine
 433     // the order of these instructions in the block.  If the first use in the
 434     // block is a load, then it uses the live in value.  The last store defines
 435     // the live out value.  We handle this by doing a linear scan of the block.
 436     Value *StoredValue = 0;
 437     for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(), E = BB->end(); II != E; ++II) {
 438       if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
 439         // If this is a load from an unrelated pointer, ignore it.
 440         if (!isInstInList(L, Insts)) continue;
 441
 442         // If we haven't seen a store yet, this is a live in use, otherwise
 443         // use the stored value.
 444         if (StoredValue) {
 445           replaceLoadWithValue(L, StoredValue);
 446           L->replaceAllUsesWith(StoredValue);
 447           ReplacedLoads[L] = StoredValue;
 448         } else {
 449           LiveInLoads.push_back(L);
 450         }
 451         continue;
 452       }
 453
 454       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
 455         // If this is a store to an unrelated pointer, ignore it.
 456         if (!isInstInList(SI, Insts)) continue;
 457         updateDebugInfo(SI);
 458
 459         // Remember that this is the active value in the block.
 460         StoredValue = SI->getOperand(0);
 461       }
 462     }
 463
 464     // The last stored value that happened is the live-out for the block.
 465     assert(StoredValue && "Already checked that there is a store in block");
 466     SSA.AddAvailableValue(BB, StoredValue);
 467     BlockUses.clear();
 468   }
 469
 470   // Okay, now we rewrite all loads that use live-in values in the loop,
 471   // inserting PHI nodes as necessary.
 472   for (unsigned i = 0, e = LiveInLoads.size(); i != e; ++i) {
 473     LoadInst *ALoad = LiveInLoads[i];
 474     Value *NewVal = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(ALoad->getParent());
 475     replaceLoadWithValue(ALoad, NewVal);
 476
 477     // Avoid assertions in unreachable code.
 478     if (NewVal == ALoad) NewVal = UndefValue::get(NewVal->getType());
 479     ALoad->replaceAllUsesWith(NewVal);
 480     ReplacedLoads[ALoad] = NewVal;
 481   }
 482
 483   // Allow the client to do stuff before we start nuking things.
 484   doExtraRewritesBeforeFinalDeletion();
 485
 486   // Now that everything is rewritten, delete the old instructions from the
 487   // function.  They should all be dead now.
 488   for (unsigned i = 0, e = Insts.size(); i != e; ++i) {
 489     Instruction *User = Insts[i];
 490
 491     // If this is a load that still has uses, then the load must have been added
 492     // as a live value in the SSAUpdate data structure for a block (e.g. because
 493     // the loaded value was stored later).  In this case, we need to recursively
 494     // propagate the updates until we get to the real value.
 495     if (!User->use_empty()) {
 496       Value *NewVal = ReplacedLoads[User];
 497       assert(NewVal && "not a replaced load?");
 498
 499       // Propagate down to the ultimate replacee.  The intermediately loads
 500       // could theoretically already have been deleted, so we don't want to
 501       // dereference the Value*'s.
 502       DenseMap<Value*, Value*>::iterator RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
 503       while (RLI != ReplacedLoads.end()) {
 504         NewVal = RLI->second;
 505         RLI = ReplacedLoads.find(NewVal);
 506       }
 507
 508       replaceLoadWithValue(cast<LoadInst>(User), NewVal);
 509       User->replaceAllUsesWith(NewVal);
 510     }
 511
 512     instructionDeleted(User);
 513     User->eraseFromParent();
 514   }
 515 }
 516
 517 bool
 518 LoadAndStorePromoter::isInstInList(Instruction *I,
 519                                    const SmallVectorImpl<Instruction*> &Insts)
 520                                    const {
 521   return std::find(Insts.begin(), Insts.end(), I) != Insts.end();
 522 }