Add support for variable argument functions!
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
index bc0e433d29f3e281ad6cbc40d9f8411692b0815b..9069338e32353357c5f0772a59cf4f1772943ffa 100644 (file)
@@ -1,26 +1,48 @@
 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
 //
-// This pass is a simple loop invariant code motion pass.
+// This pass is a simple loop invariant code motion pass.  An interesting aspect
+// of this pass is that it uses alias analysis for two purposes:
+//
+//  1. Moving loop invariant loads out of loops.  If we can determine that a
+//     load inside of a loop never aliases anything stored to, we can hoist it
+//     like any other instruction.
+//  2. Scalar Promotion of Memory - If there is a store instruction inside of
+//     the loop, we try to move the store to happen AFTER the loop instead of
+//     inside of the loop.  This can only happen if a few conditions are true:
+//       A. The pointer stored through is loop invariant
+//       B. There are no stores or loads in the loop which _may_ alias the
+//          pointer.  There are no calls in the loop which mod/ref the pointer.
+//     If these conditions are true, we can promote the loads and stores in the
+//     loop of the pointer to use a temporary alloca'd variable.  We then use
+//     the mem2reg functionality to construct the appropriate SSA form for the
+//     variable.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
+#include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
-#include "llvm/iOperators.h"
-#include "llvm/iMemory.h"
+#include "llvm/Instructions.h"
+#include "llvm/DerivedTypes.h"
+#include "llvm/Target/TargetData.h"
 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
-#include "Support/STLExtras.h"
-#include "Support/StatisticReporter.h"
+#include "llvm/Support/CFG.h"
+#include "Support/Statistic.h"
+#include "Support/CommandLine.h"
 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
 #include <algorithm>
-using std::string;
 
 namespace {
-  Statistic<>NumHoisted("licm\t\t- Number of instructions hoisted out of loop");
-  Statistic<> NumHoistedLoads("licm\t\t- Number of load insts hoisted");
+  cl::opt<bool> DisablePromotion("disable-licm-promotion", cl::Hidden,
+                             cl::desc("Disable memory promotion in LICM pass"));
+
+  Statistic<> NumHoisted("licm", "Number of instructions hoisted out of loop");
+  Statistic<> NumHoistedLoads("licm", "Number of load insts hoisted");
+  Statistic<> NumPromoted("licm", "Number of memory locations promoted to registers");
 
   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
     virtual bool runOnFunction(Function &F);
@@ -29,22 +51,25 @@ namespace {
     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
     ///
     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-      AU.preservesCFG();
+      AU.setPreservesCFG();
       AU.addRequiredID(LoopPreheadersID);
       AU.addRequired<LoopInfo>();
       AU.addRequired<DominatorTree>();
+      AU.addRequired<DominanceFrontier>();  // For scalar promotion (mem2reg)
       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
     }
 
   private:
-    Loop *CurLoop;         // The current loop we are working on...
-    BasicBlock *Preheader; // The preheader block of the current loop...
-    bool Changed;          // Set to true when we change anything.
-    AliasAnalysis *AA;     // Currently AliasAnalysis information
+    LoopInfo      *LI;       // Current LoopInfo
+    AliasAnalysis *AA;       // Current AliasAnalysis information
+    bool Changed;            // Set to true when we change anything.
+    BasicBlock *Preheader;   // The preheader block of the current loop...
+    Loop *CurLoop;           // The current loop we are working on...
+    AliasSetTracker *CurAST; // AliasSet information for the current loop...
 
     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
     ///
-    void visitLoop(Loop *L);
+    void visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST);
 
     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
@@ -73,7 +98,10 @@ namespace {
     /// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may
     /// store into the memory location pointed to by V.
     /// 
-    bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V);
+    bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
+      // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate *V.
+      return CurAST->getAliasSetForPointer(V, 0).isMod();
+    }
 
     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
     ///
@@ -83,6 +111,22 @@ namespace {
       return true;  // All non-instructions are loop invariant
     }
 
+    /// PromoteValuesInLoop - Look at the stores in the loop and promote as many
+    /// to scalars as we can.
+    ///
+    void PromoteValuesInLoop();
+
+    /// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to
+    /// definate pointers, which are not loaded and stored through may aliases.
+    /// If these are found, create an alloca for the value, add it to the
+    /// PromotedValues list, and keep track of the mapping from value to
+    /// alloca...
+    ///
+    void findPromotableValuesInLoop(
+                   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
+                                    std::map<Value*, AllocaInst*> &Val2AlMap);
+    
+
     /// Instruction visitation handlers... these basically control whether or
     /// not the specified instruction types are hoisted.
     ///
@@ -116,35 +160,52 @@ Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
 /// function, hoisting expressions out of loops if possible.
 ///
 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
-  // Get information about the top level loops in the function...
-  const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops =
-    getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
+  Changed = false;
 
-  // Get our alias analysis information...
+  // Get our Loop and Alias Analysis information...
+  LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
 
-  // Traverse loops in postorder, hoisting expressions out of the deepest loops
-  // first.
-  //
-  Changed = false;
-  std::for_each(TopLevelLoops.begin(), TopLevelLoops.end(),
-                bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
+  // Hoist expressions out of all of the top-level loops.
+  const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops = LI->getTopLevelLoops();
+  for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = TopLevelLoops.begin(),
+         E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I) {
+    AliasSetTracker AST(*AA);
+    LICM::visitLoop(*I, AST);
+  }
   return Changed;
 }
 
 
 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
 ///
-void LICM::visitLoop(Loop *L) {
+void LICM::visitLoop(Loop *L, AliasSetTracker &AST) {
   // Recurse through all subloops before we process this loop...
-  std::for_each(L->getSubLoops().begin(), L->getSubLoops().end(),
-                bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
+  for (std::vector<Loop*>::const_iterator I = L->getSubLoops().begin(),
+         E = L->getSubLoops().end(); I != E; ++I) {
+    AliasSetTracker SubAST(*AA);
+    LICM::visitLoop(*I, SubAST);
+
+    // Incorporate information about the subloops into this loop...
+    AST.add(SubAST);
+  }
   CurLoop = L;
+  CurAST = &AST;
 
   // Get the preheader block to move instructions into...
   Preheader = L->getLoopPreheader();
   assert(Preheader&&"Preheader insertion pass guarantees we have a preheader!");
 
+  // Loop over the body of this loop, looking for calls, invokes, and stores.
+  // Because subloops have already been incorporated into AST, we skip blocks in
+  // subloops.
+  //
+  const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = L->getBlocks();
+  for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
+         E = LoopBBs.end(); I != E; ++I)
+    if (LI->getLoopFor(*I) == L)        // Ignore blocks in subloops...
+      AST.add(**I);                     // Incorporate the specified basic block
+
   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
@@ -156,6 +217,11 @@ void LICM::visitLoop(Loop *L) {
   //
   HoistRegion(getAnalysis<DominatorTree>()[L->getHeader()]);
 
+  // Now that all loop invariants have been removed from the loop, promote any
+  // memory references to scalars that we can...
+  if (!DisablePromotion)
+    PromoteValuesInLoop();
+
   // Clear out loops state information for the next iteration
   CurLoop = 0;
   Preheader = 0;
@@ -211,13 +277,134 @@ void LICM::visitLoadInst(LoadInst &LI) {
   }
 }
 
-/// pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may store
-/// into the memory location pointed to by V.
-/// 
-bool LICM::pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
-  // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate V.
-  for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getBlocks().size(); i != e; ++i)
-    if (AA->canBasicBlockModify(*CurLoop->getBlocks()[i], V))
-      return true;
-  return false;
+/// PromoteValuesInLoop - Try to promote memory values to scalars by sinking
+/// stores out of the loop and moving loads to before the loop.  We do this by
+/// looping over the stores in the loop, looking for stores to Must pointers
+/// which are loop invariant.  We promote these memory locations to use allocas
+/// instead.  These allocas can easily be raised to register values by the
+/// PromoteMem2Reg functionality.
+///
+void LICM::PromoteValuesInLoop() {
+  // PromotedValues - List of values that are promoted out of the loop.  Each
+  // value has an alloca instruction for it, and a cannonical version of the
+  // pointer.
+  std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > PromotedValues;
+  std::map<Value*, AllocaInst*> ValueToAllocaMap; // Map of ptr to alloca
+
+  findPromotableValuesInLoop(PromotedValues, ValueToAllocaMap);
+  if (ValueToAllocaMap.empty()) return;   // If there are values to promote...
+
+  Changed = true;
+  NumPromoted += PromotedValues.size();
+
+  // Emit a copy from the value into the alloca'd value in the loop preheader
+  TerminatorInst *LoopPredInst = Preheader->getTerminator();
+  for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
+    // Load from the memory we are promoting...
+    LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].second, 
+                                PromotedValues[i].second->getName()+".promoted",
+                                LoopPredInst);
+    // Store into the temporary alloca...
+    new StoreInst(LI, PromotedValues[i].first, LoopPredInst);
+  }
+  
+  // Scan the basic blocks in the loop, replacing uses of our pointers with
+  // uses of the allocas in question.  If we find a branch that exits the
+  // loop, make sure to put reload code into all of the successors of the
+  // loop.
+  //
+  const std::vector<BasicBlock*> &LoopBBs = CurLoop->getBlocks();
+  for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator I = LoopBBs.begin(),
+         E = LoopBBs.end(); I != E; ++I) {
+    // Rewrite all loads and stores in the block of the pointer...
+    for (BasicBlock::iterator II = (*I)->begin(), E = (*I)->end();
+         II != E; ++II) {
+      if (LoadInst *L = dyn_cast<LoadInst>(II)) {
+        std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
+          I = ValueToAllocaMap.find(L->getOperand(0));
+        if (I != ValueToAllocaMap.end())
+          L->setOperand(0, I->second);    // Rewrite load instruction...
+      } else if (StoreInst *S = dyn_cast<StoreInst>(II)) {
+        std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator
+          I = ValueToAllocaMap.find(S->getOperand(1));
+        if (I != ValueToAllocaMap.end())
+          S->setOperand(1, I->second);    // Rewrite store instruction...
+      }
+    }
+
+    // Check to see if any successors of this block are outside of the loop.
+    // If so, we need to copy the value from the alloca back into the memory
+    // location...
+    //
+    for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
+      if (!CurLoop->contains(*SI)) {
+        // Copy all of the allocas into their memory locations...
+        BasicBlock::iterator BI = (*SI)->begin();
+        while (isa<PHINode>(*BI))
+          ++BI;             // Skip over all of the phi nodes in the block...
+        Instruction *InsertPos = BI;
+        for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i) {
+          // Load from the alloca...
+          LoadInst *LI = new LoadInst(PromotedValues[i].first, "", InsertPos);
+          // Store into the memory we promoted...
+          new StoreInst(LI, PromotedValues[i].second, InsertPos);
+        }
+      }
+  }
+
+  // Now that we have done the deed, use the mem2reg functionality to promote
+  // all of the new allocas we just created into real SSA registers...
+  //
+  std::vector<AllocaInst*> PromotedAllocas;
+  PromotedAllocas.reserve(PromotedValues.size());
+  for (unsigned i = 0, e = PromotedValues.size(); i != e; ++i)
+    PromotedAllocas.push_back(PromotedValues[i].first);
+  PromoteMemToReg(PromotedAllocas, getAnalysis<DominanceFrontier>(),
+                  AA->getTargetData());
+}
+
+/// findPromotableValuesInLoop - Check the current loop for stores to definate
+/// pointers, which are not loaded and stored through may aliases.  If these are
+/// found, create an alloca for the value, add it to the PromotedValues list,
+/// and keep track of the mapping from value to alloca...
+///
+void LICM::findPromotableValuesInLoop(
+                   std::vector<std::pair<AllocaInst*, Value*> > &PromotedValues,
+                             std::map<Value*, AllocaInst*> &ValueToAllocaMap) {
+  Instruction *FnStart = CurLoop->getHeader()->getParent()->begin()->begin();
+
+  // Loop over all of the alias sets in the tracker object...
+  for (AliasSetTracker::iterator I = CurAST->begin(), E = CurAST->end();
+       I != E; ++I) {
+    AliasSet &AS = *I;
+    // We can promote this alias set if it has a store, if it is a "Must" alias
+    // set, and if the pointer is loop invariant.
+    if (!AS.isForwardingAliasSet() && AS.isMod() && AS.isMustAlias() &&
+        isLoopInvariant(AS.begin()->first)) {
+      assert(AS.begin() != AS.end() &&
+             "Must alias set should have at least one pointer element in it!");
+      Value *V = AS.begin()->first;
+
+      // Check that all of the pointers in the alias set have the same type.  We
+      // cannot (yet) promote a memory location that is loaded and stored in
+      // different sizes.
+      bool PointerOk = true;
+      for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
+        if (V->getType() != I->first->getType()) {
+          PointerOk = false;
+          break;
+        }
+
+      if (PointerOk) {
+        const Type *Ty = cast<PointerType>(V->getType())->getElementType();
+        AllocaInst *AI = new AllocaInst(Ty, 0, V->getName()+".tmp", FnStart);
+        PromotedValues.push_back(std::make_pair(AI, V));
+        
+        for (AliasSet::iterator I = AS.begin(), E = AS.end(); I != E; ++I)
+          ValueToAllocaMap.insert(std::make_pair(I->first, AI));
+        
+        DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
+      }
+    }
+  }
 }