lib/Transforms/Scalar/LoopUnrollPass.cpp

   1 //===-- LoopUnroll.cpp - Loop unroller pass -------------------------------===//
   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 pass implements a simple loop unroller.  It works best when loops have
  11 // been canonicalized by the -indvars pass, allowing it to determine the trip
  12 // counts of loops easily.
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  16 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
  17 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
  18 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
  19 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  20 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  21 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  22 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
  23 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  24 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
  25 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  26 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  27 #include "llvm/IR/Metadata.h"
  28 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  29 #include "llvm/Support/Debug.h"
  30 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  31 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  32 #include "llvm/IR/InstVisitor.h"
  33 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  34 #include <climits>
  35
  36 using namespace llvm;
  37
  38 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  39
  40 static cl::opt<unsigned>
  41 UnrollThreshold("unroll-threshold", cl::init(150), cl::Hidden,
  42   cl::desc("The cut-off point for automatic loop unrolling"));
  43
  44 static cl::opt<unsigned> UnrollMaxIterationsCountToAnalyze(
  45     "unroll-max-iteration-count-to-analyze", cl::init(1000), cl::Hidden,
  46     cl::desc("Don't allow loop unrolling to simulate more than this number of"
  47              "iterations when checking full unroll profitability"));
  48
  49 static cl::opt<unsigned> UnrollMinPercentOfOptimized(
  50     "unroll-percent-of-optimized-for-complete-unroll", cl::init(20), cl::Hidden,
  51     cl::desc("If complete unrolling could trigger further optimizations, and, "
  52              "by that, remove the given percent of instructions, perform the "
  53              "complete unroll even if it's beyond the threshold"));
  54
  55 static cl::opt<unsigned> UnrollAbsoluteThreshold(
  56     "unroll-absolute-threshold", cl::init(2000), cl::Hidden,
  57     cl::desc("Don't unroll if the unrolled size is bigger than this threshold,"
  58              " even if we can remove big portion of instructions later."));
  59
  60 static cl::opt<unsigned>
  61 UnrollCount("unroll-count", cl::init(0), cl::Hidden,
  62   cl::desc("Use this unroll count for all loops including those with "
  63            "unroll_count pragma values, for testing purposes"));
  64
  65 static cl::opt<bool>
  66 UnrollAllowPartial("unroll-allow-partial", cl::init(false), cl::Hidden,
  67   cl::desc("Allows loops to be partially unrolled until "
  68            "-unroll-threshold loop size is reached."));
  69
  70 static cl::opt<bool>
  71 UnrollRuntime("unroll-runtime", cl::ZeroOrMore, cl::init(false), cl::Hidden,
  72   cl::desc("Unroll loops with run-time trip counts"));
  73
  74 static cl::opt<unsigned>
  75 PragmaUnrollThreshold("pragma-unroll-threshold", cl::init(16 * 1024), cl::Hidden,
  76   cl::desc("Unrolled size limit for loops with an unroll(full) or "
  77            "unroll_count pragma."));
  78
  79 namespace {
  80   class LoopUnroll : public LoopPass {
  81   public:
  82     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
  83     LoopUnroll(int T = -1, int C = -1, int P = -1, int R = -1) : LoopPass(ID) {
  84       CurrentThreshold = (T == -1) ? UnrollThreshold : unsigned(T);
  85       CurrentAbsoluteThreshold = UnrollAbsoluteThreshold;
  86       CurrentMinPercentOfOptimized = UnrollMinPercentOfOptimized;
  87       CurrentCount = (C == -1) ? UnrollCount : unsigned(C);
  88       CurrentAllowPartial = (P == -1) ? UnrollAllowPartial : (bool)P;
  89       CurrentRuntime = (R == -1) ? UnrollRuntime : (bool)R;
  90
  91       UserThreshold = (T != -1) || (UnrollThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  92       UserAbsoluteThreshold = (UnrollAbsoluteThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  93       UserPercentOfOptimized =
  94           (UnrollMinPercentOfOptimized.getNumOccurrences() > 0);
  95       UserAllowPartial = (P != -1) ||
  96                          (UnrollAllowPartial.getNumOccurrences() > 0);
  97       UserRuntime = (R != -1) || (UnrollRuntime.getNumOccurrences() > 0);
  98       UserCount = (C != -1) || (UnrollCount.getNumOccurrences() > 0);
  99
 100       initializeLoopUnrollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 101     }
 102
 103     /// A magic value for use with the Threshold parameter to indicate
 104     /// that the loop unroll should be performed regardless of how much
 105     /// code expansion would result.
 106     static const unsigned NoThreshold = UINT_MAX;
 107
 108     // Threshold to use when optsize is specified (and there is no
 109     // explicit -unroll-threshold).
 110     static const unsigned OptSizeUnrollThreshold = 50;
 111
 112     // Default unroll count for loops with run-time trip count if
 113     // -unroll-count is not set
 114     static const unsigned UnrollRuntimeCount = 8;
 115
 116     unsigned CurrentCount;
 117     unsigned CurrentThreshold;
 118     unsigned CurrentAbsoluteThreshold;
 119     unsigned CurrentMinPercentOfOptimized;
 120     bool     CurrentAllowPartial;
 121     bool     CurrentRuntime;
 122     bool     UserCount;            // CurrentCount is user-specified.
 123     bool     UserThreshold;        // CurrentThreshold is user-specified.
 124     bool UserAbsoluteThreshold;    // CurrentAbsoluteThreshold is
 125                                    // user-specified.
 126     bool UserPercentOfOptimized;   // CurrentMinPercentOfOptimized is
 127                                    // user-specified.
 128     bool     UserAllowPartial;     // CurrentAllowPartial is user-specified.
 129     bool     UserRuntime;          // CurrentRuntime is user-specified.
 130
 131     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
 132
 133     /// This transformation requires natural loop information & requires that
 134     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
 135     ///
 136     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 137       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
 138       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 139       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
 140       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
 141       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
 142       AU.addRequiredID(LCSSAID);
 143       AU.addPreservedID(LCSSAID);
 144       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 145       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
 146       AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
 147       // FIXME: Loop unroll requires LCSSA. And LCSSA requires dom info.
 148       // If loop unroll does not preserve dom info then LCSSA pass on next
 149       // loop will receive invalid dom info.
 150       // For now, recreate dom info, if loop is unrolled.
 151       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
 152     }
 153
 154     // Fill in the UnrollingPreferences parameter with values from the
 155     // TargetTransformationInfo.
 156     void getUnrollingPreferences(Loop *L, const TargetTransformInfo &TTI,
 157                                  TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP) {
 158       UP.Threshold = CurrentThreshold;
 159       UP.AbsoluteThreshold = CurrentAbsoluteThreshold;
 160       UP.MinPercentOfOptimized = CurrentMinPercentOfOptimized;
 161       UP.OptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 162       UP.PartialThreshold = CurrentThreshold;
 163       UP.PartialOptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 164       UP.Count = CurrentCount;
 165       UP.MaxCount = UINT_MAX;
 166       UP.Partial = CurrentAllowPartial;
 167       UP.Runtime = CurrentRuntime;
 168       TTI.getUnrollingPreferences(L, UP);
 169     }
 170
 171     // Select and return an unroll count based on parameters from
 172     // user, unroll preferences, unroll pragmas, or a heuristic.
 173     // SetExplicitly is set to true if the unroll count is is set by
 174     // the user or a pragma rather than selected heuristically.
 175     unsigned
 176     selectUnrollCount(const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 177                       unsigned PragmaCount,
 178                       const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 179                       bool &SetExplicitly);
 180
 181     // Select threshold values used to limit unrolling based on a
 182     // total unrolled size.  Parameters Threshold and PartialThreshold
 183     // are set to the maximum unrolled size for fully and partially
 184     // unrolled loops respectively.
 185     void selectThresholds(const Loop *L, bool HasPragma,
 186                           const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 187                           unsigned &Threshold, unsigned &PartialThreshold,
 188                           unsigned NumberOfOptimizedInstructions) {
 189       // Determine the current unrolling threshold.  While this is
 190       // normally set from UnrollThreshold, it is overridden to a
 191       // smaller value if the current function is marked as
 192       // optimize-for-size, and the unroll threshold was not user
 193       // specified.
 194       Threshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.Threshold;
 195
 196       // If we are allowed to completely unroll if we can remove M% of
 197       // instructions, and we know that with complete unrolling we'll be able
 198       // to kill N instructions, then we can afford to completely unroll loops
 199       // with unrolled size up to N*100/M.
 200       // Adjust the threshold according to that:
 201       unsigned PercentOfOptimizedForCompleteUnroll =
 202           UserPercentOfOptimized ? CurrentMinPercentOfOptimized
 203                                  : UP.MinPercentOfOptimized;
 204       unsigned AbsoluteThreshold = UserAbsoluteThreshold
 205                                        ? CurrentAbsoluteThreshold
 206                                        : UP.AbsoluteThreshold;
 207       if (PercentOfOptimizedForCompleteUnroll)
 208         Threshold = std::max<unsigned>(Threshold,
 209                                        NumberOfOptimizedInstructions * 100 /
 210                                            PercentOfOptimizedForCompleteUnroll);
 211       // But don't allow unrolling loops bigger than absolute threshold.
 212       Threshold = std::min<unsigned>(Threshold, AbsoluteThreshold);
 213
 214       PartialThreshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.PartialThreshold;
 215       if (!UserThreshold &&
 216           L->getHeader()->getParent()->getAttributes().
 217               hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex,
 218                            Attribute::OptimizeForSize)) {
 219         Threshold = UP.OptSizeThreshold;
 220         PartialThreshold = UP.PartialOptSizeThreshold;
 221       }
 222       if (HasPragma) {
 223         // If the loop has an unrolling pragma, we want to be more
 224         // aggressive with unrolling limits.  Set thresholds to at
 225         // least the PragmaTheshold value which is larger than the
 226         // default limits.
 227         if (Threshold != NoThreshold)
 228           Threshold = std::max<unsigned>(Threshold, PragmaUnrollThreshold);
 229         if (PartialThreshold != NoThreshold)
 230           PartialThreshold =
 231               std::max<unsigned>(PartialThreshold, PragmaUnrollThreshold);
 232       }
 233     }
 234   };
 235 }
 236
 237 char LoopUnroll::ID = 0;
 238 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 239 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
 240 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
 241 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 242 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 243 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 244 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 245 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 246
 247 Pass *llvm::createLoopUnrollPass(int Threshold, int Count, int AllowPartial,
 248                                  int Runtime) {
 249   return new LoopUnroll(Threshold, Count, AllowPartial, Runtime);
 250 }
 251
 252 Pass *llvm::createSimpleLoopUnrollPass() {
 253   return llvm::createLoopUnrollPass(-1, -1, 0, 0);
 254 }
 255
 256 static bool isLoadFromConstantInitializer(Value *V) {
 257   if (GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(V))
 258     if (GV->isConstant() && GV->hasDefinitiveInitializer())
 259       return GV->getInitializer();
 260   return false;
 261 }
 262
 263 struct FindConstantPointers {
 264   bool LoadCanBeConstantFolded;
 265   bool IndexIsConstant;
 266   APInt Step;
 267   APInt StartValue;
 268   Value *BaseAddress;
 269   const Loop *L;
 270   ScalarEvolution &SE;
 271   FindConstantPointers(const Loop *loop, ScalarEvolution &SE)
 272       : LoadCanBeConstantFolded(true), IndexIsConstant(true), L(loop), SE(SE) {}
 273
 274   bool follow(const SCEV *S) {
 275     if (const SCEVUnknown *SC = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
 276       // We've reached the leaf node of SCEV, it's most probably just a
 277       // variable. Now it's time to see if it corresponds to a global constant
 278       // global (in which case we can eliminate the load), or not.
 279       BaseAddress = SC->getValue();
 280       LoadCanBeConstantFolded =
 281           IndexIsConstant && isLoadFromConstantInitializer(BaseAddress);
 282       return false;
 283     }
 284     if (isa<SCEVConstant>(S))
 285       return true;
 286     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
 287       // If the current SCEV expression is AddRec, and its loop isn't the loop
 288       // we are about to unroll, then we won't get a constant address after
 289       // unrolling, and thus, won't be able to eliminate the load.
 290       if (AR->getLoop() != L)
 291         return IndexIsConstant = false;
 292       // If the step isn't constant, we won't get constant addresses in unrolled
 293       // version. Bail out.
 294       if (const SCEVConstant *StepSE =
 295               dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE)))
 296         Step = StepSE->getValue()->getValue();
 297       else
 298         return IndexIsConstant = false;
 299
 300       return IndexIsConstant;
 301     }
 302     // If Result is true, continue traversal.
 303     // Otherwise, we have found something that prevents us from (possible) load
 304     // elimination.
 305     return IndexIsConstant;
 306   }
 307   bool isDone() const { return !IndexIsConstant; }
 308 };
 309
 310 // This class is used to get an estimate of the optimization effects that we
 311 // could get from complete loop unrolling. It comes from the fact that some
 312 // loads might be replaced with concrete constant values and that could trigger
 313 // a chain of instruction simplifications.
 314 //
 315 // E.g. we might have:
 316 //   int a[] = {0, 1, 0};
 317 //   v = 0;
 318 //   for (i = 0; i < 3; i ++)
 319 //     v += b[i]*a[i];
 320 // If we completely unroll the loop, we would get:
 321 //   v = b[0]*a[0] + b[1]*a[1] + b[2]*a[2]
 322 // Which then will be simplified to:
 323 //   v = b[0]* 0 + b[1]* 1 + b[2]* 0
 324 // And finally:
 325 //   v = b[1]
 326 class UnrollAnalyzer : public InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool> {
 327   typedef InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool> Base;
 328   friend class InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool>;
 329
 330   const Loop *L;
 331   unsigned TripCount;
 332   ScalarEvolution &SE;
 333   const TargetTransformInfo &TTI;
 334
 335   DenseMap<Value *, Constant *> SimplifiedValues;
 336   DenseMap<LoadInst *, Value *> LoadBaseAddresses;
 337   SmallPtrSet<Instruction *, 32> CountedInstructions;
 338
 339   /// \brief Count the number of optimized instructions.
 340   unsigned NumberOfOptimizedInstructions;
 341
 342   // Provide base case for our instruction visit.
 343   bool visitInstruction(Instruction &I) { return false; };
 344   // TODO: We should also visit ICmp, FCmp, GetElementPtr, Trunc, ZExt, SExt,
 345   // FPTrunc, FPExt, FPToUI, FPToSI, UIToFP, SIToFP, BitCast, Select,
 346   // ExtractElement, InsertElement, ShuffleVector, ExtractValue, InsertValue.
 347   //
 348   // Probaly it's worth to hoist the code for estimating the simplifications
 349   // effects to a separate class, since we have a very similar code in
 350   // InlineCost already.
 351   bool visitBinaryOperator(BinaryOperator &I) {
 352     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 353     if (!isa<Constant>(LHS))
 354       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 355         LHS = SimpleLHS;
 356     if (!isa<Constant>(RHS))
 357       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 358         RHS = SimpleRHS;
 359     Value *SimpleV = nullptr;
 360     if (auto FI = dyn_cast<FPMathOperator>(&I))
 361       SimpleV =
 362           SimplifyFPBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, FI->getFastMathFlags());
 363     else
 364       SimpleV = SimplifyBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS);
 365
 366     if (SimpleV && CountedInstructions.insert(&I).second)
 367       NumberOfOptimizedInstructions += TTI.getUserCost(&I);
 368
 369     if (Constant *C = dyn_cast_or_null<Constant>(SimpleV)) {
 370       SimplifiedValues[&I] = C;
 371       return true;
 372     }
 373     return false;
 374   }
 375
 376   Constant *computeLoadValue(LoadInst *LI, unsigned Iteration) {
 377     if (!LI)
 378       return nullptr;
 379     Value *BaseAddr = LoadBaseAddresses[LI];
 380     if (!BaseAddr)
 381       return nullptr;
 382
 383     auto GV = dyn_cast<GlobalVariable>(BaseAddr);
 384     if (!GV)
 385       return nullptr;
 386
 387     ConstantDataSequential *CDS =
 388         dyn_cast<ConstantDataSequential>(GV->getInitializer());
 389     if (!CDS)
 390       return nullptr;
 391
 392     const SCEV *BaseAddrSE = SE.getSCEV(BaseAddr);
 393     const SCEV *S = SE.getSCEV(LI->getPointerOperand());
 394     const SCEV *OffSE = SE.getMinusSCEV(S, BaseAddrSE);
 395
 396     APInt StepC, StartC;
 397     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(OffSE);
 398     if (!AR)
 399       return nullptr;
 400
 401     if (const SCEVConstant *StepSE =
 402             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE)))
 403       StepC = StepSE->getValue()->getValue();
 404     else
 405       return nullptr;
 406
 407     if (const SCEVConstant *StartSE = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStart()))
 408       StartC = StartSE->getValue()->getValue();
 409     else
 410       return nullptr;
 411
 412     unsigned ElemSize = CDS->getElementType()->getPrimitiveSizeInBits() / 8U;
 413     unsigned Start = StartC.getLimitedValue();
 414     unsigned Step = StepC.getLimitedValue();
 415
 416     unsigned Index = (Start + Step * Iteration) / ElemSize;
 417     if (Index >= CDS->getNumElements())
 418       return nullptr;
 419
 420     Constant *CV = CDS->getElementAsConstant(Index);
 421
 422     return CV;
 423   }
 424
 425 public:
 426   UnrollAnalyzer(const Loop *L, unsigned TripCount, ScalarEvolution &SE,
 427                  const TargetTransformInfo &TTI)
 428       : L(L), TripCount(TripCount), SE(SE), TTI(TTI),
 429         NumberOfOptimizedInstructions(0) {}
 430
 431   // Visit all loads the loop L, and for those that, after complete loop
 432   // unrolling, would have a constant address and it will point to a known
 433   // constant initializer, record its base address for future use.  It is used
 434   // when we estimate number of potentially simplified instructions.
 435   void findConstFoldableLoads() {
 436     for (auto BB : L->getBlocks()) {
 437       for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
 438         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
 439           if (!LI->isSimple())
 440             continue;
 441           Value *AddrOp = LI->getPointerOperand();
 442           const SCEV *S = SE.getSCEV(AddrOp);
 443           FindConstantPointers Visitor(L, SE);
 444           SCEVTraversal<FindConstantPointers> T(Visitor);
 445           T.visitAll(S);
 446           if (Visitor.IndexIsConstant && Visitor.LoadCanBeConstantFolded) {
 447             LoadBaseAddresses[LI] = Visitor.BaseAddress;
 448           }
 449         }
 450       }
 451     }
 452   }
 453
 454   // Given a list of loads that could be constant-folded (LoadBaseAddresses),
 455   // estimate number of optimized instructions after substituting the concrete
 456   // values for the given Iteration.
 457   // Fill in SimplifiedValues map for future use in DCE-estimation.
 458   unsigned estimateNumberOfSimplifiedInstructions(unsigned Iteration) {
 459     SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
 460     SimplifiedValues.clear();
 461     CountedInstructions.clear();
 462     NumberOfOptimizedInstructions = 0;
 463
 464     // We start by adding all loads to the worklist.
 465     for (auto &LoadDescr : LoadBaseAddresses) {
 466       LoadInst *LI = LoadDescr.first;
 467       SimplifiedValues[LI] = computeLoadValue(LI, Iteration);
 468       if (CountedInstructions.insert(LI).second)
 469         NumberOfOptimizedInstructions += TTI.getUserCost(LI);
 470
 471       for (User *U : LI->users()) {
 472         Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
 473         if (!UI)
 474           continue;
 475         if (!L->contains(UI))
 476           continue;
 477         Worklist.push_back(UI);
 478       }
 479     }
 480
 481     // And then we try to simplify every user of every instruction from the
 482     // worklist. If we do simplify a user, add it to the worklist to process
 483     // its users as well.
 484     while (!Worklist.empty()) {
 485       Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
 486       if (!visit(I))
 487         continue;
 488       for (User *U : I->users()) {
 489         Instruction *UI = dyn_cast<Instruction>(U);
 490         if (!UI)
 491           continue;
 492         if (!L->contains(UI))
 493           continue;
 494         Worklist.push_back(UI);
 495       }
 496     }
 497     return NumberOfOptimizedInstructions;
 498   }
 499
 500   // Given a list of potentially simplifed instructions, estimate number of
 501   // instructions that would become dead if we do perform the simplification.
 502   unsigned estimateNumberOfDeadInstructions() {
 503     NumberOfOptimizedInstructions = 0;
 504
 505     // We keep a set vector for the worklist so that we don't wast space in the
 506     // worklist queuing up the same instruction repeatedly. This can happen due
 507     // to multiple operands being the same instruction or due to the same
 508     // instruction being an operand of lots of things that end up dead or
 509     // simplified.
 510     SmallSetVector<Instruction *, 8> Worklist;
 511
 512     // The dead instructions are held in a separate set. This is used to
 513     // prevent us from re-examining instructions and make sure we only count
 514     // the benifit once. The worklist's internal set handles insertion
 515     // deduplication.
 516     SmallPtrSet<Instruction *, 16> DeadInstructions;
 517
 518     // Lambda to enque operands onto the worklist.
 519     auto EnqueueOperands = [&](Instruction &I) {
 520       for (auto *Op : I.operand_values())
 521         if (auto *OpI = dyn_cast<Instruction>(Op))
 522           if (!OpI->use_empty())
 523             Worklist.insert(OpI);
 524     };
 525
 526     // Start by initializing worklist with simplified instructions.
 527     for (auto &FoldedKeyValue : SimplifiedValues)
 528       if (auto *FoldedInst = dyn_cast<Instruction>(FoldedKeyValue.first)) {
 529         DeadInstructions.insert(FoldedInst);
 530
 531         // Add each instruction operand of this dead instruction to the
 532         // worklist.
 533         EnqueueOperands(*FoldedInst);
 534       }
 535
 536     // If a definition of an insn is only used by simplified or dead
 537     // instructions, it's also dead. Check defs of all instructions from the
 538     // worklist.
 539     while (!Worklist.empty()) {
 540       Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
 541       if (!L->contains(I))
 542         continue;
 543       if (DeadInstructions.count(I))
 544         continue;
 545       bool AllUsersFolded = true;
 546       for (User *U : I->users())
 547         if (!DeadInstructions.count(cast<Instruction>(U))) {
 548           AllUsersFolded = false;
 549           break;
 550         }
 551
 552       if (AllUsersFolded) {
 553         NumberOfOptimizedInstructions += TTI.getUserCost(I);
 554         DeadInstructions.insert(I);
 555         EnqueueOperands(*I);
 556       }
 557     }
 558     return NumberOfOptimizedInstructions;
 559   }
 560 };
 561
 562 // Complete loop unrolling can make some loads constant, and we need to know if
 563 // that would expose any further optimization opportunities.
 564 // This routine estimates this optimization effect and returns the number of
 565 // instructions, that potentially might be optimized away.
 566 static unsigned
 567 approximateNumberOfOptimizedInstructions(const Loop *L, ScalarEvolution &SE,
 568                                          unsigned TripCount,
 569                                          const TargetTransformInfo &TTI) {
 570   if (!TripCount || !UnrollMaxIterationsCountToAnalyze)
 571     return 0;
 572
 573   UnrollAnalyzer UA(L, TripCount, SE, TTI);
 574   UA.findConstFoldableLoads();
 575
 576   // Estimate number of instructions, that could be simplified if we replace a
 577   // load with the corresponding constant. Since the same load will take
 578   // different values on different iterations, we have to go through all loop's
 579   // iterations here. To limit ourselves here, we check only first N
 580   // iterations, and then scale the found number, if necessary.
 581   unsigned IterationsNumberForEstimate =
 582       std::min<unsigned>(UnrollMaxIterationsCountToAnalyze, TripCount);
 583   unsigned NumberOfOptimizedInstructions = 0;
 584   for (unsigned i = 0; i < IterationsNumberForEstimate; ++i) {
 585     NumberOfOptimizedInstructions +=
 586         UA.estimateNumberOfSimplifiedInstructions(i);
 587     NumberOfOptimizedInstructions += UA.estimateNumberOfDeadInstructions();
 588   }
 589   NumberOfOptimizedInstructions *= TripCount / IterationsNumberForEstimate;
 590
 591   return NumberOfOptimizedInstructions;
 592 }
 593
 594 /// ApproximateLoopSize - Approximate the size of the loop.
 595 static unsigned ApproximateLoopSize(const Loop *L, unsigned &NumCalls,
 596                                     bool &NotDuplicatable,
 597                                     const TargetTransformInfo &TTI,
 598                                     AssumptionCache *AC) {
 599   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
 600   CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
 601
 602   CodeMetrics Metrics;
 603   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
 604        I != E; ++I)
 605     Metrics.analyzeBasicBlock(*I, TTI, EphValues);
 606   NumCalls = Metrics.NumInlineCandidates;
 607   NotDuplicatable = Metrics.notDuplicatable;
 608
 609   unsigned LoopSize = Metrics.NumInsts;
 610
 611   // Don't allow an estimate of size zero.  This would allows unrolling of loops
 612   // with huge iteration counts, which is a compile time problem even if it's
 613   // not a problem for code quality. Also, the code using this size may assume
 614   // that each loop has at least three instructions (likely a conditional
 615   // branch, a comparison feeding that branch, and some kind of loop increment
 616   // feeding that comparison instruction).
 617   LoopSize = std::max(LoopSize, 3u);
 618
 619   return LoopSize;
 620 }
 621
 622 // Returns the loop hint metadata node with the given name (for example,
 623 // "llvm.loop.unroll.count").  If no such metadata node exists, then nullptr is
 624 // returned.
 625 static MDNode *GetUnrollMetadataForLoop(const Loop *L, StringRef Name) {
 626   if (MDNode *LoopID = L->getLoopID())
 627     return GetUnrollMetadata(LoopID, Name);
 628   return nullptr;
 629 }
 630
 631 // Returns true if the loop has an unroll(full) pragma.
 632 static bool HasUnrollFullPragma(const Loop *L) {
 633   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.full");
 634 }
 635
 636 // Returns true if the loop has an unroll(disable) pragma.
 637 static bool HasUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 638   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.disable");
 639 }
 640
 641 // If loop has an unroll_count pragma return the (necessarily
 642 // positive) value from the pragma.  Otherwise return 0.
 643 static unsigned UnrollCountPragmaValue(const Loop *L) {
 644   MDNode *MD = GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.count");
 645   if (MD) {
 646     assert(MD->getNumOperands() == 2 &&
 647            "Unroll count hint metadata should have two operands.");
 648     unsigned Count =
 649         mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(1))->getZExtValue();
 650     assert(Count >= 1 && "Unroll count must be positive.");
 651     return Count;
 652   }
 653   return 0;
 654 }
 655
 656 // Remove existing unroll metadata and add unroll disable metadata to
 657 // indicate the loop has already been unrolled.  This prevents a loop
 658 // from being unrolled more than is directed by a pragma if the loop
 659 // unrolling pass is run more than once (which it generally is).
 660 static void SetLoopAlreadyUnrolled(Loop *L) {
 661   MDNode *LoopID = L->getLoopID();
 662   if (!LoopID) return;
 663
 664   // First remove any existing loop unrolling metadata.
 665   SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
 666   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
 667   MDs.push_back(nullptr);
 668   for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
 669     bool IsUnrollMetadata = false;
 670     MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
 671     if (MD) {
 672       const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
 673       IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
 674     }
 675     if (!IsUnrollMetadata)
 676       MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
 677   }
 678
 679   // Add unroll(disable) metadata to disable future unrolling.
 680   LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
 681   SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
 682   DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
 683   MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
 684   MDs.push_back(DisableNode);
 685
 686   MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
 687   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
 688   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
 689   L->setLoopID(NewLoopID);
 690 }
 691
 692 unsigned LoopUnroll::selectUnrollCount(
 693     const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 694     unsigned PragmaCount, const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 695     bool &SetExplicitly) {
 696   SetExplicitly = true;
 697
 698   // User-specified count (either as a command-line option or
 699   // constructor parameter) has highest precedence.
 700   unsigned Count = UserCount ? CurrentCount : 0;
 701
 702   // If there is no user-specified count, unroll pragmas have the next
 703   // highest precendence.
 704   if (Count == 0) {
 705     if (PragmaCount) {
 706       Count = PragmaCount;
 707     } else if (PragmaFullUnroll) {
 708       Count = TripCount;
 709     }
 710   }
 711
 712   if (Count == 0)
 713     Count = UP.Count;
 714
 715   if (Count == 0) {
 716     SetExplicitly = false;
 717     if (TripCount == 0)
 718       // Runtime trip count.
 719       Count = UnrollRuntimeCount;
 720     else
 721       // Conservative heuristic: if we know the trip count, see if we can
 722       // completely unroll (subject to the threshold, checked below); otherwise
 723       // try to find greatest modulo of the trip count which is still under
 724       // threshold value.
 725       Count = TripCount;
 726   }
 727   if (TripCount && Count > TripCount)
 728     return TripCount;
 729   return Count;
 730 }
 731
 732 bool LoopUnroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 733   if (skipOptnoneFunction(L))
 734     return false;
 735
 736   Function &F = *L->getHeader()->getParent();
 737
 738   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 739   ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 740   const TargetTransformInfo &TTI =
 741       getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
 742   auto &AC = getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
 743
 744   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 745   DEBUG(dbgs() << "Loop Unroll: F[" << Header->getParent()->getName()
 746         << "] Loop %" << Header->getName() << "\n");
 747
 748   if (HasUnrollDisablePragma(L)) {
 749     return false;
 750   }
 751   bool PragmaFullUnroll = HasUnrollFullPragma(L);
 752   unsigned PragmaCount = UnrollCountPragmaValue(L);
 753   bool HasPragma = PragmaFullUnroll || PragmaCount > 0;
 754
 755   TargetTransformInfo::UnrollingPreferences UP;
 756   getUnrollingPreferences(L, TTI, UP);
 757
 758   // Find trip count and trip multiple if count is not available
 759   unsigned TripCount = 0;
 760   unsigned TripMultiple = 1;
 761   // If there are multiple exiting blocks but one of them is the latch, use the
 762   // latch for the trip count estimation. Otherwise insist on a single exiting
 763   // block for the trip count estimation.
 764   BasicBlock *ExitingBlock = L->getLoopLatch();
 765   if (!ExitingBlock || !L->isLoopExiting(ExitingBlock))
 766     ExitingBlock = L->getExitingBlock();
 767   if (ExitingBlock) {
 768     TripCount = SE->getSmallConstantTripCount(L, ExitingBlock);
 769     TripMultiple = SE->getSmallConstantTripMultiple(L, ExitingBlock);
 770   }
 771
 772   // Select an initial unroll count.  This may be reduced later based
 773   // on size thresholds.
 774   bool CountSetExplicitly;
 775   unsigned Count = selectUnrollCount(L, TripCount, PragmaFullUnroll,
 776                                      PragmaCount, UP, CountSetExplicitly);
 777
 778   unsigned NumInlineCandidates;
 779   bool notDuplicatable;
 780   unsigned LoopSize =
 781       ApproximateLoopSize(L, NumInlineCandidates, notDuplicatable, TTI, &AC);
 782   DEBUG(dbgs() << "  Loop Size = " << LoopSize << "\n");
 783
 784   // When computing the unrolled size, note that the conditional branch on the
 785   // backedge and the comparison feeding it are not replicated like the rest of
 786   // the loop body (which is why 2 is subtracted).
 787   uint64_t UnrolledSize = (uint64_t)(LoopSize-2) * Count + 2;
 788   if (notDuplicatable) {
 789     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop which contains non-duplicatable"
 790                  << " instructions.\n");
 791     return false;
 792   }
 793   if (NumInlineCandidates != 0) {
 794     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop with inlinable calls.\n");
 795     return false;
 796   }
 797
 798   unsigned NumberOfOptimizedInstructions =
 799       approximateNumberOfOptimizedInstructions(L, *SE, TripCount, TTI);
 800   DEBUG(dbgs() << "  Complete unrolling could save: "
 801                << NumberOfOptimizedInstructions << "\n");
 802
 803   unsigned Threshold, PartialThreshold;
 804   selectThresholds(L, HasPragma, UP, Threshold, PartialThreshold,
 805                    NumberOfOptimizedInstructions);
 806
 807   // Given Count, TripCount and thresholds determine the type of
 808   // unrolling which is to be performed.
 809   enum { Full = 0, Partial = 1, Runtime = 2 };
 810   int Unrolling;
 811   if (TripCount && Count == TripCount) {
 812     if (Threshold != NoThreshold && UnrolledSize > Threshold) {
 813       DEBUG(dbgs() << "  Too large to fully unroll with count: " << Count
 814                    << " because size: " << UnrolledSize << ">" << Threshold
 815                    << "\n");
 816       Unrolling = Partial;
 817     } else {
 818       Unrolling = Full;
 819     }
 820   } else if (TripCount && Count < TripCount) {
 821     Unrolling = Partial;
 822   } else {
 823     Unrolling = Runtime;
 824   }
 825
 826   // Reduce count based on the type of unrolling and the threshold values.
 827   unsigned OriginalCount = Count;
 828   bool AllowRuntime = UserRuntime ? CurrentRuntime : UP.Runtime;
 829   if (Unrolling == Partial) {
 830     bool AllowPartial = UserAllowPartial ? CurrentAllowPartial : UP.Partial;
 831     if (!AllowPartial && !CountSetExplicitly) {
 832       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll partially because "
 833                    << "-unroll-allow-partial not given\n");
 834       return false;
 835     }
 836     if (PartialThreshold != NoThreshold && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 837       // Reduce unroll count to be modulo of TripCount for partial unrolling.
 838       Count = (std::max(PartialThreshold, 3u)-2) / (LoopSize-2);
 839       while (Count != 0 && TripCount % Count != 0)
 840         Count--;
 841     }
 842   } else if (Unrolling == Runtime) {
 843     if (!AllowRuntime && !CountSetExplicitly) {
 844       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll loop with runtime trip count "
 845                    << "-unroll-runtime not given\n");
 846       return false;
 847     }
 848     // Reduce unroll count to be the largest power-of-two factor of
 849     // the original count which satisfies the threshold limit.
 850     while (Count != 0 && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 851       Count >>= 1;
 852       UnrolledSize = (LoopSize-2) * Count + 2;
 853     }
 854     if (Count > UP.MaxCount)
 855       Count = UP.MaxCount;
 856     DEBUG(dbgs() << "  partially unrolling with count: " << Count << "\n");
 857   }
 858
 859   if (HasPragma) {
 860     if (PragmaCount != 0)
 861       // If loop has an unroll count pragma mark loop as unrolled to prevent
 862       // unrolling beyond that requested by the pragma.
 863       SetLoopAlreadyUnrolled(L);
 864
 865     // Emit optimization remarks if we are unable to unroll the loop
 866     // as directed by a pragma.
 867     DebugLoc LoopLoc = L->getStartLoc();
 868     Function *F = Header->getParent();
 869     LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 870     if (PragmaFullUnroll && PragmaCount == 0) {
 871       if (TripCount && Count != TripCount) {
 872         emitOptimizationRemarkMissed(
 873             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 874             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 875             "because unrolled size is too large.");
 876       } else if (!TripCount) {
 877         emitOptimizationRemarkMissed(
 878             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 879             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 880             "because loop has a runtime trip count.");
 881       }
 882     } else if (PragmaCount > 0 && Count != OriginalCount) {
 883       emitOptimizationRemarkMissed(
 884           Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 885           "Unable to unroll loop the number of times directed by "
 886           "unroll_count pragma because unrolled size is too large.");
 887     }
 888   }
 889
 890   if (Unrolling != Full && Count < 2) {
 891     // Partial unrolling by 1 is a nop.  For full unrolling, a factor
 892     // of 1 makes sense because loop control can be eliminated.
 893     return false;
 894   }
 895
 896   // Unroll the loop.
 897   if (!UnrollLoop(L, Count, TripCount, AllowRuntime, TripMultiple, LI, this,
 898                   &LPM, &AC))
 899     return false;
 900
 901   return true;
 902 }