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/InstructionSimplify.h"
  20 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  21 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  22 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  23 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
  24 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  25 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
  26 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  27 #include "llvm/IR/InstVisitor.h"
  28 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  29 #include "llvm/IR/Metadata.h"
  30 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  33 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.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(0), 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       UP.AllowExpensiveTripCount = false;
 169       TTI.getUnrollingPreferences(L, UP);
 170     }
 171
 172     // Select and return an unroll count based on parameters from
 173     // user, unroll preferences, unroll pragmas, or a heuristic.
 174     // SetExplicitly is set to true if the unroll count is is set by
 175     // the user or a pragma rather than selected heuristically.
 176     unsigned
 177     selectUnrollCount(const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 178                       unsigned PragmaCount,
 179                       const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 180                       bool &SetExplicitly);
 181
 182     // Select threshold values used to limit unrolling based on a
 183     // total unrolled size.  Parameters Threshold and PartialThreshold
 184     // are set to the maximum unrolled size for fully and partially
 185     // unrolled loops respectively.
 186     void selectThresholds(const Loop *L, bool HasPragma,
 187                           const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 188                           unsigned &Threshold, unsigned &PartialThreshold,
 189                           unsigned &AbsoluteThreshold,
 190                           unsigned &PercentOfOptimizedForCompleteUnroll) {
 191       // Determine the current unrolling threshold.  While this is
 192       // normally set from UnrollThreshold, it is overridden to a
 193       // smaller value if the current function is marked as
 194       // optimize-for-size, and the unroll threshold was not user
 195       // specified.
 196       Threshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.Threshold;
 197       PartialThreshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.PartialThreshold;
 198       AbsoluteThreshold = UserAbsoluteThreshold ? CurrentAbsoluteThreshold
 199                                                 : UP.AbsoluteThreshold;
 200       PercentOfOptimizedForCompleteUnroll = UserPercentOfOptimized
 201                                                 ? CurrentMinPercentOfOptimized
 202                                                 : UP.MinPercentOfOptimized;
 203
 204       if (!UserThreshold &&
 205           L->getHeader()->getParent()->hasFnAttribute(
 206               Attribute::OptimizeForSize)) {
 207         Threshold = UP.OptSizeThreshold;
 208         PartialThreshold = UP.PartialOptSizeThreshold;
 209       }
 210       if (HasPragma) {
 211         // If the loop has an unrolling pragma, we want to be more
 212         // aggressive with unrolling limits.  Set thresholds to at
 213         // least the PragmaTheshold value which is larger than the
 214         // default limits.
 215         if (Threshold != NoThreshold)
 216           Threshold = std::max<unsigned>(Threshold, PragmaUnrollThreshold);
 217         if (PartialThreshold != NoThreshold)
 218           PartialThreshold =
 219               std::max<unsigned>(PartialThreshold, PragmaUnrollThreshold);
 220       }
 221     }
 222     bool canUnrollCompletely(Loop *L, unsigned Threshold,
 223                              unsigned AbsoluteThreshold, uint64_t UnrolledSize,
 224                              unsigned NumberOfOptimizedInstructions,
 225                              unsigned PercentOfOptimizedForCompleteUnroll);
 226   };
 227 }
 228
 229 char LoopUnroll::ID = 0;
 230 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 231 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
 232 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
 233 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 234 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 235 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 236 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 237 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 238
 239 Pass *llvm::createLoopUnrollPass(int Threshold, int Count, int AllowPartial,
 240                                  int Runtime) {
 241   return new LoopUnroll(Threshold, Count, AllowPartial, Runtime);
 242 }
 243
 244 Pass *llvm::createSimpleLoopUnrollPass() {
 245   return llvm::createLoopUnrollPass(-1, -1, 0, 0);
 246 }
 247
 248 namespace {
 249 /// \brief SCEV expressions visitor used for finding expressions that would
 250 /// become constants if the loop L is unrolled.
 251 struct FindConstantPointers {
 252   /// \brief Shows whether the expression is ConstAddress+Constant or not.
 253   bool IndexIsConstant;
 254
 255   /// \brief Used for filtering out SCEV expressions with two or more AddRec
 256   /// subexpressions.
 257   ///
 258   /// Used to filter out complicated SCEV expressions, having several AddRec
 259   /// sub-expressions. We don't handle them, because unrolling one loop
 260   /// would help to replace only one of these inductions with a constant, and
 261   /// consequently, the expression would remain non-constant.
 262   bool HaveSeenAR;
 263
 264   /// \brief If the SCEV expression becomes ConstAddress+Constant, this value
 265   /// holds ConstAddress. Otherwise, it's nullptr.
 266   Value *BaseAddress;
 267
 268   /// \brief The loop, which we try to completely unroll.
 269   const Loop *L;
 270
 271   ScalarEvolution &SE;
 272
 273   FindConstantPointers(const Loop *L, ScalarEvolution &SE)
 274       : IndexIsConstant(true), HaveSeenAR(false), BaseAddress(nullptr),
 275         L(L), SE(SE) {}
 276
 277   /// Examine the given expression S and figure out, if it can be a part of an
 278   /// expression, that could become a constant after the loop is unrolled.
 279   /// The routine sets IndexIsConstant and HaveSeenAR according to the analysis
 280   /// results.
 281   /// \returns true if we need to examine subexpressions, and false otherwise.
 282   bool follow(const SCEV *S) {
 283     if (const SCEVUnknown *SC = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
 284       // We've reached the leaf node of SCEV, it's most probably just a
 285       // variable.
 286       // If it's the only one SCEV-subexpression, then it might be a base
 287       // address of an index expression.
 288       // If we've already recorded base address, then just give up on this SCEV
 289       // - it's too complicated.
 290       if (BaseAddress) {
 291         IndexIsConstant = false;
 292         return false;
 293       }
 294       BaseAddress = SC->getValue();
 295       return false;
 296     }
 297     if (isa<SCEVConstant>(S))
 298       return false;
 299     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
 300       // If the current SCEV expression is AddRec, and its loop isn't the loop
 301       // we are about to unroll, then we won't get a constant address after
 302       // unrolling, and thus, won't be able to eliminate the load.
 303       if (AR->getLoop() != L) {
 304         IndexIsConstant = false;
 305         return false;
 306       }
 307       // We don't handle multiple AddRecs here, so give up in this case.
 308       if (HaveSeenAR) {
 309         IndexIsConstant = false;
 310         return false;
 311       }
 312       HaveSeenAR = true;
 313     }
 314
 315     // Continue traversal.
 316     return true;
 317   }
 318   bool isDone() const { return !IndexIsConstant; }
 319 };
 320
 321 // This class is used to get an estimate of the optimization effects that we
 322 // could get from complete loop unrolling. It comes from the fact that some
 323 // loads might be replaced with concrete constant values and that could trigger
 324 // a chain of instruction simplifications.
 325 //
 326 // E.g. we might have:
 327 //   int a[] = {0, 1, 0};
 328 //   v = 0;
 329 //   for (i = 0; i < 3; i ++)
 330 //     v += b[i]*a[i];
 331 // If we completely unroll the loop, we would get:
 332 //   v = b[0]*a[0] + b[1]*a[1] + b[2]*a[2]
 333 // Which then will be simplified to:
 334 //   v = b[0]* 0 + b[1]* 1 + b[2]* 0
 335 // And finally:
 336 //   v = b[1]
 337 class UnrollAnalyzer : public InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool> {
 338   typedef InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool> Base;
 339   friend class InstVisitor<UnrollAnalyzer, bool>;
 340
 341   struct SCEVGEPDescriptor {
 342     Value *BaseAddr;
 343     APInt Start;
 344     APInt Step;
 345   };
 346
 347   /// \brief The loop we're going to analyze.
 348   const Loop *L;
 349
 350   /// \brief TripCount of the given loop.
 351   unsigned TripCount;
 352
 353   ScalarEvolution &SE;
 354
 355   const TargetTransformInfo &TTI;
 356
 357   // While we walk the loop instructions, we we build up and maintain a mapping
 358   // of simplified values specific to this iteration.  The idea is to propagate
 359   // any special information we have about loads that can be replaced with
 360   // constants after complete unrolling, and account for likely simplifications
 361   // post-unrolling.
 362   DenseMap<Value *, Constant *> SimplifiedValues;
 363
 364   // To avoid requesting SCEV info on every iteration, request it once, and
 365   // for each value that would become ConstAddress+Constant after loop
 366   // unrolling, save the corresponding data.
 367   SmallDenseMap<Value *, SCEVGEPDescriptor> SCEVCache;
 368
 369   /// \brief Number of currently simulated iteration.
 370   ///
 371   /// If an expression is ConstAddress+Constant, then the Constant is
 372   /// Start + Iteration*Step, where Start and Step could be obtained from
 373   /// SCEVCache.
 374   unsigned Iteration;
 375
 376   /// \brief Upper threshold for complete unrolling.
 377   unsigned MaxUnrolledLoopSize;
 378
 379   /// Base case for the instruction visitor.
 380   bool visitInstruction(Instruction &I) { return false; };
 381
 382   /// TODO: Add visitors for other instruction types, e.g. ZExt, SExt.
 383
 384   /// Try to simplify binary operator I.
 385   ///
 386   /// TODO: Probaly it's worth to hoist the code for estimating the
 387   /// simplifications effects to a separate class, since we have a very similar
 388   /// code in InlineCost already.
 389   bool visitBinaryOperator(BinaryOperator &I) {
 390     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 391     if (!isa<Constant>(LHS))
 392       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 393         LHS = SimpleLHS;
 394     if (!isa<Constant>(RHS))
 395       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 396         RHS = SimpleRHS;
 397     Value *SimpleV = nullptr;
 398     const DataLayout &DL = I.getModule()->getDataLayout();
 399     if (auto FI = dyn_cast<FPMathOperator>(&I))
 400       SimpleV =
 401           SimplifyFPBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, FI->getFastMathFlags(), DL);
 402     else
 403       SimpleV = SimplifyBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, DL);
 404
 405     if (SimpleV)
 406       NumberOfOptimizedInstructions += TTI.getUserCost(&I);
 407
 408     if (Constant *C = dyn_cast_or_null<Constant>(SimpleV)) {
 409       SimplifiedValues[&I] = C;
 410       return true;
 411     }
 412     return false;
 413   }
 414
 415   /// Try to fold load I.
 416   bool visitLoad(LoadInst &I) {
 417     Value *AddrOp = I.getPointerOperand();
 418     if (!isa<Constant>(AddrOp))
 419       if (Constant *SimplifiedAddrOp = SimplifiedValues.lookup(AddrOp))
 420         AddrOp = SimplifiedAddrOp;
 421
 422     auto It = SCEVCache.find(AddrOp);
 423     if (It == SCEVCache.end())
 424       return false;
 425     SCEVGEPDescriptor GEPDesc = It->second;
 426
 427     auto GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEPDesc.BaseAddr);
 428     // We're only interested in loads that can be completely folded to a
 429     // constant.
 430     if (!GV || !GV->hasInitializer())
 431       return false;
 432
 433     ConstantDataSequential *CDS =
 434         dyn_cast<ConstantDataSequential>(GV->getInitializer());
 435     if (!CDS)
 436       return false;
 437
 438     // Check possible overflow.
 439     if (GEPDesc.Start.getActiveBits() > 32 || GEPDesc.Step.getActiveBits() > 32)
 440       return false;
 441     unsigned ElemSize = CDS->getElementType()->getPrimitiveSizeInBits() / 8U;
 442     uint64_t Index = (GEPDesc.Start.getLimitedValue() +
 443                       GEPDesc.Step.getLimitedValue() * Iteration) /
 444                      ElemSize;
 445     if (Index >= CDS->getNumElements()) {
 446       // FIXME: For now we conservatively ignore out of bound accesses, but
 447       // we're allowed to perform the optimization in this case.
 448       return false;
 449     }
 450
 451     Constant *CV = CDS->getElementAsConstant(Index);
 452     assert(CV && "Constant expected.");
 453     SimplifiedValues[&I] = CV;
 454
 455     NumberOfOptimizedInstructions += TTI.getUserCost(&I);
 456     return true;
 457   }
 458
 459   /// Visit all GEPs in the loop and find those which after complete loop
 460   /// unrolling would become a constant, or BaseAddress+Constant.
 461   ///
 462   /// Such GEPs could allow to evaluate a load to a constant later - for now we
 463   /// just store the corresponding BaseAddress and StartValue with StepValue in
 464   /// the SCEVCache.
 465   void cacheSCEVResults() {
 466     for (auto BB : L->getBlocks()) {
 467       for (Instruction &I : *BB) {
 468         if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(&I)) {
 469           Value *V = cast<Value>(GEP);
 470           if (!SE.isSCEVable(V->getType()))
 471               continue;
 472           const SCEV *S = SE.getSCEV(V);
 473           // FIXME: Hoist the initialization out of the loop.
 474           FindConstantPointers Visitor(L, SE);
 475           SCEVTraversal<FindConstantPointers> T(Visitor);
 476           // Try to find (BaseAddress+Step+Offset) tuple.
 477           // If succeeded, save it to the cache - it might help in folding
 478           // loads.
 479           T.visitAll(S);
 480           if (!Visitor.IndexIsConstant || !Visitor.BaseAddress)
 481             continue;
 482
 483           const SCEV *BaseAddrSE = SE.getSCEV(Visitor.BaseAddress);
 484           if (BaseAddrSE->getType() != S->getType())
 485             continue;
 486           const SCEV *OffSE = SE.getMinusSCEV(S, BaseAddrSE);
 487           const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(OffSE);
 488
 489           if (!AR)
 490             continue;
 491
 492           const SCEVConstant *StepSE =
 493               dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE));
 494           const SCEVConstant *StartSE = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStart());
 495           if (!StepSE || !StartSE)
 496             continue;
 497
 498           SCEVCache[V] = {Visitor.BaseAddress, StartSE->getValue()->getValue(),
 499                           StepSE->getValue()->getValue()};
 500         }
 501       }
 502     }
 503   }
 504
 505 public:
 506   UnrollAnalyzer(const Loop *L, unsigned TripCount, ScalarEvolution &SE,
 507                  const TargetTransformInfo &TTI, unsigned MaxUnrolledLoopSize)
 508       : L(L), TripCount(TripCount), SE(SE), TTI(TTI),
 509         MaxUnrolledLoopSize(MaxUnrolledLoopSize),
 510         NumberOfOptimizedInstructions(0), UnrolledLoopSize(0) {}
 511
 512   /// \brief Count the number of optimized instructions.
 513   unsigned NumberOfOptimizedInstructions;
 514
 515   /// \brief Count the total number of instructions.
 516   unsigned UnrolledLoopSize;
 517
 518   /// \brief Figure out if the loop is worth full unrolling.
 519   ///
 520   /// Complete loop unrolling can make some loads constant, and we need to know
 521   /// if that would expose any further optimization opportunities.  This routine
 522   /// estimates this optimization.  It assigns computed number of instructions,
 523   /// that potentially might be optimized away, to
 524   /// NumberOfOptimizedInstructions, and total number of instructions to
 525   /// UnrolledLoopSize (not counting blocks that won't be reached, if we were
 526   /// able to compute the condition).
 527   /// \returns false if we can't analyze the loop, or if we discovered that
 528   /// unrolling won't give anything. Otherwise, returns true.
 529   bool analyzeLoop() {
 530     SmallSetVector<BasicBlock *, 16> BBWorklist;
 531
 532     // Don't simulate loops with a big or unknown tripcount
 533     if (!UnrollMaxIterationsCountToAnalyze || !TripCount ||
 534         TripCount > UnrollMaxIterationsCountToAnalyze)
 535       return false;
 536
 537     // To avoid compute SCEV-expressions on every iteration, compute them once
 538     // and store interesting to us in SCEVCache.
 539     cacheSCEVResults();
 540
 541     // Simulate execution of each iteration of the loop counting instructions,
 542     // which would be simplified.
 543     // Since the same load will take different values on different iterations,
 544     // we literally have to go through all loop's iterations.
 545     for (Iteration = 0; Iteration < TripCount; ++Iteration) {
 546       SimplifiedValues.clear();
 547       BBWorklist.clear();
 548       BBWorklist.insert(L->getHeader());
 549       // Note that we *must not* cache the size, this loop grows the worklist.
 550       for (unsigned Idx = 0; Idx != BBWorklist.size(); ++Idx) {
 551         BasicBlock *BB = BBWorklist[Idx];
 552
 553         // Visit all instructions in the given basic block and try to simplify
 554         // it.  We don't change the actual IR, just count optimization
 555         // opportunities.
 556         for (Instruction &I : *BB) {
 557           UnrolledLoopSize += TTI.getUserCost(&I);
 558           Base::visit(I);
 559           // If unrolled body turns out to be too big, bail out.
 560           if (UnrolledLoopSize - NumberOfOptimizedInstructions >
 561               MaxUnrolledLoopSize)
 562             return false;
 563         }
 564
 565         // Add BB's successors to the worklist.
 566         for (BasicBlock *Succ : successors(BB))
 567           if (L->contains(Succ))
 568             BBWorklist.insert(Succ);
 569       }
 570
 571       // If we found no optimization opportunities on the first iteration, we
 572       // won't find them on later ones too.
 573       if (!NumberOfOptimizedInstructions)
 574         return false;
 575     }
 576     return true;
 577   }
 578 };
 579 } // namespace
 580
 581 /// ApproximateLoopSize - Approximate the size of the loop.
 582 static unsigned ApproximateLoopSize(const Loop *L, unsigned &NumCalls,
 583                                     bool &NotDuplicatable,
 584                                     const TargetTransformInfo &TTI,
 585                                     AssumptionCache *AC) {
 586   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
 587   CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
 588
 589   CodeMetrics Metrics;
 590   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
 591        I != E; ++I)
 592     Metrics.analyzeBasicBlock(*I, TTI, EphValues);
 593   NumCalls = Metrics.NumInlineCandidates;
 594   NotDuplicatable = Metrics.notDuplicatable;
 595
 596   unsigned LoopSize = Metrics.NumInsts;
 597
 598   // Don't allow an estimate of size zero.  This would allows unrolling of loops
 599   // with huge iteration counts, which is a compile time problem even if it's
 600   // not a problem for code quality. Also, the code using this size may assume
 601   // that each loop has at least three instructions (likely a conditional
 602   // branch, a comparison feeding that branch, and some kind of loop increment
 603   // feeding that comparison instruction).
 604   LoopSize = std::max(LoopSize, 3u);
 605
 606   return LoopSize;
 607 }
 608
 609 // Returns the loop hint metadata node with the given name (for example,
 610 // "llvm.loop.unroll.count").  If no such metadata node exists, then nullptr is
 611 // returned.
 612 static MDNode *GetUnrollMetadataForLoop(const Loop *L, StringRef Name) {
 613   if (MDNode *LoopID = L->getLoopID())
 614     return GetUnrollMetadata(LoopID, Name);
 615   return nullptr;
 616 }
 617
 618 // Returns true if the loop has an unroll(full) pragma.
 619 static bool HasUnrollFullPragma(const Loop *L) {
 620   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.full");
 621 }
 622
 623 // Returns true if the loop has an unroll(disable) pragma.
 624 static bool HasUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 625   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.disable");
 626 }
 627
 628 // Returns true if the loop has an runtime unroll(disable) pragma.
 629 static bool HasRuntimeUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 630   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.runtime.disable");
 631 }
 632
 633 // If loop has an unroll_count pragma return the (necessarily
 634 // positive) value from the pragma.  Otherwise return 0.
 635 static unsigned UnrollCountPragmaValue(const Loop *L) {
 636   MDNode *MD = GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.count");
 637   if (MD) {
 638     assert(MD->getNumOperands() == 2 &&
 639            "Unroll count hint metadata should have two operands.");
 640     unsigned Count =
 641         mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(1))->getZExtValue();
 642     assert(Count >= 1 && "Unroll count must be positive.");
 643     return Count;
 644   }
 645   return 0;
 646 }
 647
 648 // Remove existing unroll metadata and add unroll disable metadata to
 649 // indicate the loop has already been unrolled.  This prevents a loop
 650 // from being unrolled more than is directed by a pragma if the loop
 651 // unrolling pass is run more than once (which it generally is).
 652 static void SetLoopAlreadyUnrolled(Loop *L) {
 653   MDNode *LoopID = L->getLoopID();
 654   if (!LoopID) return;
 655
 656   // First remove any existing loop unrolling metadata.
 657   SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
 658   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
 659   MDs.push_back(nullptr);
 660   for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
 661     bool IsUnrollMetadata = false;
 662     MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
 663     if (MD) {
 664       const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
 665       IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
 666     }
 667     if (!IsUnrollMetadata)
 668       MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
 669   }
 670
 671   // Add unroll(disable) metadata to disable future unrolling.
 672   LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
 673   SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
 674   DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
 675   MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
 676   MDs.push_back(DisableNode);
 677
 678   MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
 679   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
 680   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
 681   L->setLoopID(NewLoopID);
 682 }
 683
 684 bool LoopUnroll::canUnrollCompletely(
 685     Loop *L, unsigned Threshold, unsigned AbsoluteThreshold,
 686     uint64_t UnrolledSize, unsigned NumberOfOptimizedInstructions,
 687     unsigned PercentOfOptimizedForCompleteUnroll) {
 688
 689   if (Threshold == NoThreshold) {
 690     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because no threshold is set.\n");
 691     return true;
 692   }
 693
 694   if (UnrolledSize <= Threshold) {
 695     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolled size: "
 696                  << UnrolledSize << "<" << Threshold << "\n");
 697     return true;
 698   }
 699
 700   assert(UnrolledSize && "UnrolledSize can't be 0 at this point.");
 701   unsigned PercentOfOptimizedInstructions =
 702       (uint64_t)NumberOfOptimizedInstructions * 100ull / UnrolledSize;
 703
 704   if (UnrolledSize <= AbsoluteThreshold &&
 705       PercentOfOptimizedInstructions >= PercentOfOptimizedForCompleteUnroll) {
 706     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolling will help removing "
 707                  << PercentOfOptimizedInstructions
 708                  << "% instructions (threshold: "
 709                  << PercentOfOptimizedForCompleteUnroll << "%)\n");
 710     DEBUG(dbgs() << "  Unrolled size (" << UnrolledSize
 711                  << ") is less than the threshold (" << AbsoluteThreshold
 712                  << ").\n");
 713     return true;
 714   }
 715
 716   DEBUG(dbgs() << "  Too large to fully unroll:\n");
 717   DEBUG(dbgs() << "    Unrolled size: " << UnrolledSize << "\n");
 718   DEBUG(dbgs() << "    Estimated number of optimized instructions: "
 719                << NumberOfOptimizedInstructions << "\n");
 720   DEBUG(dbgs() << "    Absolute threshold: " << AbsoluteThreshold << "\n");
 721   DEBUG(dbgs() << "    Minimum percent of removed instructions: "
 722                << PercentOfOptimizedForCompleteUnroll << "\n");
 723   DEBUG(dbgs() << "    Threshold for small loops: " << Threshold << "\n");
 724   return false;
 725 }
 726
 727 unsigned LoopUnroll::selectUnrollCount(
 728     const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 729     unsigned PragmaCount, const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 730     bool &SetExplicitly) {
 731   SetExplicitly = true;
 732
 733   // User-specified count (either as a command-line option or
 734   // constructor parameter) has highest precedence.
 735   unsigned Count = UserCount ? CurrentCount : 0;
 736
 737   // If there is no user-specified count, unroll pragmas have the next
 738   // highest precendence.
 739   if (Count == 0) {
 740     if (PragmaCount) {
 741       Count = PragmaCount;
 742     } else if (PragmaFullUnroll) {
 743       Count = TripCount;
 744     }
 745   }
 746
 747   if (Count == 0)
 748     Count = UP.Count;
 749
 750   if (Count == 0) {
 751     SetExplicitly = false;
 752     if (TripCount == 0)
 753       // Runtime trip count.
 754       Count = UnrollRuntimeCount;
 755     else
 756       // Conservative heuristic: if we know the trip count, see if we can
 757       // completely unroll (subject to the threshold, checked below); otherwise
 758       // try to find greatest modulo of the trip count which is still under
 759       // threshold value.
 760       Count = TripCount;
 761   }
 762   if (TripCount && Count > TripCount)
 763     return TripCount;
 764   return Count;
 765 }
 766
 767 bool LoopUnroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 768   if (skipOptnoneFunction(L))
 769     return false;
 770
 771   Function &F = *L->getHeader()->getParent();
 772
 773   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 774   ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 775   const TargetTransformInfo &TTI =
 776       getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
 777   auto &AC = getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
 778
 779   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 780   DEBUG(dbgs() << "Loop Unroll: F[" << Header->getParent()->getName()
 781         << "] Loop %" << Header->getName() << "\n");
 782
 783   if (HasUnrollDisablePragma(L)) {
 784     return false;
 785   }
 786   bool PragmaFullUnroll = HasUnrollFullPragma(L);
 787   unsigned PragmaCount = UnrollCountPragmaValue(L);
 788   bool HasPragma = PragmaFullUnroll || PragmaCount > 0;
 789
 790   TargetTransformInfo::UnrollingPreferences UP;
 791   getUnrollingPreferences(L, TTI, UP);
 792
 793   // Find trip count and trip multiple if count is not available
 794   unsigned TripCount = 0;
 795   unsigned TripMultiple = 1;
 796   // If there are multiple exiting blocks but one of them is the latch, use the
 797   // latch for the trip count estimation. Otherwise insist on a single exiting
 798   // block for the trip count estimation.
 799   BasicBlock *ExitingBlock = L->getLoopLatch();
 800   if (!ExitingBlock || !L->isLoopExiting(ExitingBlock))
 801     ExitingBlock = L->getExitingBlock();
 802   if (ExitingBlock) {
 803     TripCount = SE->getSmallConstantTripCount(L, ExitingBlock);
 804     TripMultiple = SE->getSmallConstantTripMultiple(L, ExitingBlock);
 805   }
 806
 807   // Select an initial unroll count.  This may be reduced later based
 808   // on size thresholds.
 809   bool CountSetExplicitly;
 810   unsigned Count = selectUnrollCount(L, TripCount, PragmaFullUnroll,
 811                                      PragmaCount, UP, CountSetExplicitly);
 812
 813   unsigned NumInlineCandidates;
 814   bool notDuplicatable;
 815   unsigned LoopSize =
 816       ApproximateLoopSize(L, NumInlineCandidates, notDuplicatable, TTI, &AC);
 817   DEBUG(dbgs() << "  Loop Size = " << LoopSize << "\n");
 818
 819   // When computing the unrolled size, note that the conditional branch on the
 820   // backedge and the comparison feeding it are not replicated like the rest of
 821   // the loop body (which is why 2 is subtracted).
 822   uint64_t UnrolledSize = (uint64_t)(LoopSize-2) * Count + 2;
 823   if (notDuplicatable) {
 824     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop which contains non-duplicatable"
 825                  << " instructions.\n");
 826     return false;
 827   }
 828   if (NumInlineCandidates != 0) {
 829     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop with inlinable calls.\n");
 830     return false;
 831   }
 832
 833   unsigned Threshold, PartialThreshold;
 834   unsigned AbsoluteThreshold, PercentOfOptimizedForCompleteUnroll;
 835   selectThresholds(L, HasPragma, UP, Threshold, PartialThreshold,
 836                    AbsoluteThreshold, PercentOfOptimizedForCompleteUnroll);
 837
 838   // Given Count, TripCount and thresholds determine the type of
 839   // unrolling which is to be performed.
 840   enum { Full = 0, Partial = 1, Runtime = 2 };
 841   int Unrolling;
 842   if (TripCount && Count == TripCount) {
 843     Unrolling = Partial;
 844     // If the loop is really small, we don't need to run an expensive analysis.
 845     if (canUnrollCompletely(
 846             L, Threshold, AbsoluteThreshold,
 847             UnrolledSize, 0, 100)) {
 848       Unrolling = Full;
 849     } else {
 850       // The loop isn't that small, but we still can fully unroll it if that
 851       // helps to remove a significant number of instructions.
 852       // To check that, run additional analysis on the loop.
 853       UnrollAnalyzer UA(L, TripCount, *SE, TTI, AbsoluteThreshold);
 854       if (UA.analyzeLoop() &&
 855           canUnrollCompletely(L, Threshold, AbsoluteThreshold,
 856                               UA.UnrolledLoopSize,
 857                               UA.NumberOfOptimizedInstructions,
 858                               PercentOfOptimizedForCompleteUnroll)) {
 859         Unrolling = Full;
 860       }
 861     }
 862   } else if (TripCount && Count < TripCount) {
 863     Unrolling = Partial;
 864   } else {
 865     Unrolling = Runtime;
 866   }
 867
 868   // Reduce count based on the type of unrolling and the threshold values.
 869   unsigned OriginalCount = Count;
 870   bool AllowRuntime = UserRuntime ? CurrentRuntime : UP.Runtime;
 871   if (HasRuntimeUnrollDisablePragma(L)) {
 872     AllowRuntime = false;
 873   }
 874   if (Unrolling == Partial) {
 875     bool AllowPartial = UserAllowPartial ? CurrentAllowPartial : UP.Partial;
 876     if (!AllowPartial && !CountSetExplicitly) {
 877       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll partially because "
 878                    << "-unroll-allow-partial not given\n");
 879       return false;
 880     }
 881     if (PartialThreshold != NoThreshold && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 882       // Reduce unroll count to be modulo of TripCount for partial unrolling.
 883       Count = (std::max(PartialThreshold, 3u)-2) / (LoopSize-2);
 884       while (Count != 0 && TripCount % Count != 0)
 885         Count--;
 886     }
 887   } else if (Unrolling == Runtime) {
 888     if (!AllowRuntime && !CountSetExplicitly) {
 889       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll loop with runtime trip count "
 890                    << "-unroll-runtime not given\n");
 891       return false;
 892     }
 893     // Reduce unroll count to be the largest power-of-two factor of
 894     // the original count which satisfies the threshold limit.
 895     while (Count != 0 && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 896       Count >>= 1;
 897       UnrolledSize = (LoopSize-2) * Count + 2;
 898     }
 899     if (Count > UP.MaxCount)
 900       Count = UP.MaxCount;
 901     DEBUG(dbgs() << "  partially unrolling with count: " << Count << "\n");
 902   }
 903
 904   if (HasPragma) {
 905     if (PragmaCount != 0)
 906       // If loop has an unroll count pragma mark loop as unrolled to prevent
 907       // unrolling beyond that requested by the pragma.
 908       SetLoopAlreadyUnrolled(L);
 909
 910     // Emit optimization remarks if we are unable to unroll the loop
 911     // as directed by a pragma.
 912     DebugLoc LoopLoc = L->getStartLoc();
 913     Function *F = Header->getParent();
 914     LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 915     if (PragmaFullUnroll && PragmaCount == 0) {
 916       if (TripCount && Count != TripCount) {
 917         emitOptimizationRemarkMissed(
 918             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 919             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 920             "because unrolled size is too large.");
 921       } else if (!TripCount) {
 922         emitOptimizationRemarkMissed(
 923             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 924             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 925             "because loop has a runtime trip count.");
 926       }
 927     } else if (PragmaCount > 0 && Count != OriginalCount) {
 928       emitOptimizationRemarkMissed(
 929           Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 930           "Unable to unroll loop the number of times directed by "
 931           "unroll_count pragma because unrolled size is too large.");
 932     }
 933   }
 934
 935   if (Unrolling != Full && Count < 2) {
 936     // Partial unrolling by 1 is a nop.  For full unrolling, a factor
 937     // of 1 makes sense because loop control can be eliminated.
 938     return false;
 939   }
 940
 941   // Unroll the loop.
 942   if (!UnrollLoop(L, Count, TripCount, AllowRuntime, UP.AllowExpensiveTripCount,
 943                   TripMultiple, LI, this, &LPM, &AC))
 944     return false;
 945
 946   return true;
 947 }