]> granicus.if.org Git - llvm/commitdiff
Initial implementation of Loop invariant memory->scalar promotion
authorChris Lattner <sabre@nondot.org>
Mon, 24 Feb 2003 03:52:32 +0000 (03:52 +0000)
committerChris Lattner <sabre@nondot.org>
Mon, 24 Feb 2003 03:52:32 +0000 (03:52 +0000)
git-svn-id: https://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk@5613 91177308-0d34-0410-b5e6-96231b3b80d8

lib/Transforms/Scalar/LICM.cpp

index 549bf60044aa047e625e297427c4f2b46b1af35f..c6479c0cb027192891cff315f64803b37b51a3b2 100644 (file)
 //===-- 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/Dominators.h"
-#include "llvm/iOperators.h"
-#include "llvm/iMemory.h"
+#include "llvm/Instructions.h"
+#include "llvm/DerivedTypes.h"
 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
-#include "Support/STLExtras.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 {
+  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");
+
+  /// LoopBodyInfo - We recursively traverse loops from most-deeply-nested to
+  /// least-deeply-nested.  For all of the loops nested within the current one,
+  /// we keep track of information so that we don't have to repeat queries.
+  ///
+  struct LoopBodyInfo {
+    std::vector<CallInst*> Calls;          // Call instructions in loop
+    std::vector<InvokeInst*> Invokes;      // Invoke instructions in loop
+
+    // StoredPointers - Targets of store instructions...
+    std::set<Value*> StoredPointers;
+
+    // LoadedPointers - Source pointers for load instructions...
+    std::set<Value*> LoadedPointers;
+
+    enum PointerClass {
+      PointerUnknown = 0, // Nothing is known about this pointer yet
+      PointerMustStore,   // Memory is stored to ONLY through this pointer
+      PointerMayStore,    // Memory is stored to through this or other pointers
+      PointerNoStore      // Memory is not modified in this loop
+    };
+
+    // PointerIsModified - Keep track of information as we find out about it in
+    // the loop body...
+    //
+    std::map<Value*, enum PointerClass> PointerIsModified;
+
+    /// CantModifyAnyPointers - Return true if no memory modifying instructions
+    /// occur in this loop.  This is just a conservative approximation, because
+    /// a call may not actually store anything.
+    bool CantModifyAnyPointers() const {
+      return Calls.empty() && Invokes.empty() && StoredPointers.empty();
+    }
+
+    /// incorporate - Incorporate information about a subloop into the current
+    /// loop.
+    void incorporate(const LoopBodyInfo &OtherLBI);
+    void incorporate(BasicBlock &BB);  // do the same for a basic block
+
+    PointerClass getPointerInfo(Value *V, AliasAnalysis &AA) {
+      PointerClass &VInfo = PointerIsModified[V];
+      if (VInfo == PointerUnknown)
+        VInfo = calculatePointerInfo(V, AA);
+      return VInfo;
+    }
+  private:
+    /// calculatePointerInfo - Calculate information about the specified
+    /// pointer.
+    PointerClass calculatePointerInfo(Value *V, AliasAnalysis &AA) const;
+  };
+}
+
+/// incorporate - Incorporate information about a subloop into the current loop.
+void LoopBodyInfo::incorporate(const LoopBodyInfo &OtherLBI) {
+  // Do not incorporate NonModifiedPointers (which is just a cache) because it
+  // is too much trouble to make sure it's still valid.
+  Calls.insert  (Calls.end(),  OtherLBI.Calls.begin(),  OtherLBI.Calls.end());
+  Invokes.insert(Invokes.end(),OtherLBI.Invokes.begin(),OtherLBI.Invokes.end());
+  StoredPointers.insert(OtherLBI.StoredPointers.begin(),
+                        OtherLBI.StoredPointers.end());
+  LoadedPointers.insert(OtherLBI.LoadedPointers.begin(),
+                        OtherLBI.LoadedPointers.end());
+}
+
+void LoopBodyInfo::incorporate(BasicBlock &BB) {
+  for (BasicBlock::iterator I = BB.begin(), E = --BB.end(); I != E; ++I)
+    if (CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&*I))
+      Calls.push_back(CI);
+    else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(&*I))
+      StoredPointers.insert(SI->getOperand(1));
+    else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(&*I))
+      LoadedPointers.insert(LI->getOperand(0));
+
+  if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(BB.getTerminator()))
+    Invokes.push_back(II);
+}
+
+
+// calculatePointerInfo - Calculate information about the specified pointer.
+LoopBodyInfo::PointerClass LoopBodyInfo::calculatePointerInfo(Value *V,
+                                                      AliasAnalysis &AA) const {
+  for (unsigned i = 0, e = Calls.size(); i != e; ++i)
+    if (AA.canCallModify(*Calls[i], V))
+      return PointerMayStore;
+
+  for (unsigned i = 0, e = Invokes.size(); i != e; ++i)
+    if (AA.canInvokeModify(*Invokes[i], V))
+      return PointerMayStore;
+
+  PointerClass Result = PointerNoStore;
+  for (std::set<Value*>::const_iterator I = StoredPointers.begin(),
+         E = StoredPointers.end(); I != E; ++I)
+    if (AA.alias(V, *I))
+      if (V == *I)
+        Result = PointerMustStore;   // If this is the only alias, return must
+      else
+        return PointerMayStore;      // We have to return may
+  return Result;
+}
 
+namespace {
   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
     virtual bool runOnFunction(Function &F);
 
@@ -33,18 +153,21 @@ namespace {
       AU.addRequiredID(LoopPreheadersID);
       AU.addRequired<LoopInfo>();
       AU.addRequired<DominatorTree>();
+      AU.addRequired<DominanceFrontier>();
       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...
+    LoopBodyInfo *CurLBI;    // Information about the current loop...
 
     /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
     ///
-    void visitLoop(Loop *L);
+    void visitLoop(Loop *L, LoopBodyInfo &LBI);
 
     /// 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 +196,10 @@ 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 CurLBI->getPointerInfo(V, *AA) != LoopBodyInfo::PointerNoStore;
+    }
 
     /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
     ///
@@ -83,6 +209,22 @@ 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 +258,52 @@ 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) {
+    LoopBodyInfo LBI;
+    LICM::visitLoop(*I, LBI);
+  }
   return Changed;
 }
 
 
 /// visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
 ///
-void LICM::visitLoop(Loop *L) {
+void LICM::visitLoop(Loop *L, LoopBodyInfo &LBI) {
   // 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) {
+    LoopBodyInfo SubLBI;
+    LICM::visitLoop(*I, SubLBI);
+
+    // Incorporate information about the subloops into this loop...
+    LBI.incorporate(SubLBI);
+  }
   CurLoop = L;
+  CurLBI = &LBI;
 
   // 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 LBI, 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...
+      LBI.incorporate(**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 +315,11 @@ 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 +375,144 @@ 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...
+        Instruction *InsertPos = (*SI)->begin();
+        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>());
+}
+
+/// 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();
+
+  for (std::set<Value*>::iterator I = CurLBI->StoredPointers.begin(),
+         E = CurLBI->StoredPointers.end(); I != E; ++I) {
+    Value *V = *I;
+    if (isLoopInvariant(V) &&
+        CurLBI->getPointerInfo(V, *AA) == LoopBodyInfo::PointerMustStore) {
+
+      // Don't add a new entry for this stored pointer if it aliases something
+      // we have already processed.
+      std::map<Value*, AllocaInst*>::iterator V2AMI = 
+        ValueToAllocaMap.lower_bound(V);
+      if (V2AMI == ValueToAllocaMap.end() || V2AMI->first != V) {
+        // Check to make sure that any loads in the loop are either NO or MUST
+        // aliases.  We cannot rewrite loads that _might_ come from this memory
+        // location.
+
+        bool PointerOk = true;
+        for (std::set<Value*>::const_iterator I =CurLBI->LoadedPointers.begin(),
+               E = CurLBI->LoadedPointers.end(); I != E; ++I)
+          if (AA->alias(V, *I) == AliasAnalysis::MayAlias) {
+            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));
+          ValueToAllocaMap.insert(V2AMI, std::make_pair(V, AI));
+
+          DEBUG(std::cerr << "LICM: Promoting value: " << *V << "\n");
+
+          // Loop over all of the loads and stores that alias this pointer,
+          // adding them to the Value2AllocaMap as well...
+          for (std::set<Value*>::const_iterator
+                 I = CurLBI->LoadedPointers.begin(),
+                 E = CurLBI->LoadedPointers.end(); I != E; ++I)
+            if (AA->alias(V, *I) == AliasAnalysis::MustAlias)
+              ValueToAllocaMap[*I] = AI;
+
+          for (std::set<Value*>::const_iterator
+                 I = CurLBI->StoredPointers.begin(),
+                 E = CurLBI->StoredPointers.end(); I != E; ++I)
+            if (AA->alias(V, *I) == AliasAnalysis::MustAlias)
+              ValueToAllocaMap[*I] = AI;
+        }
+      }
+    }
+  }
 }