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 baseline cost threshold for loop unrolling"));
  43
  44 static cl::opt<unsigned> UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold(
  45     "unroll-percent-dynamic-cost-saved-threshold", cl::init(20), cl::Hidden,
  46     cl::desc("The percentage of estimated dynamic cost which must be saved by "
  47              "unrolling to allow unrolling up to the max threshold."));
  48
  49 static cl::opt<unsigned> UnrollDynamicCostSavingsDiscount(
  50     "unroll-dynamic-cost-savings-discount", cl::init(2000), cl::Hidden,
  51     cl::desc("This is the amount discounted from the total unroll cost when "
  52              "the unrolled form has a high dynamic cost savings (triggered by "
  53              "the '-unroll-perecent-dynamic-cost-saved-threshold' flag)."));
  54
  55 static cl::opt<unsigned> UnrollMaxIterationsCountToAnalyze(
  56     "unroll-max-iteration-count-to-analyze", cl::init(0), cl::Hidden,
  57     cl::desc("Don't allow loop unrolling to simulate more than this number of"
  58              "iterations when checking full unroll profitability"));
  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       CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold =
  86           UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold;
  87       CurrentDynamicCostSavingsDiscount = UnrollDynamicCostSavingsDiscount;
  88       CurrentCount = (C == -1) ? UnrollCount : unsigned(C);
  89       CurrentAllowPartial = (P == -1) ? UnrollAllowPartial : (bool)P;
  90       CurrentRuntime = (R == -1) ? UnrollRuntime : (bool)R;
  91
  92       UserThreshold = (T != -1) || (UnrollThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  93       UserPercentDynamicCostSavedThreshold =
  94           (UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  95       UserDynamicCostSavingsDiscount =
  96           (UnrollDynamicCostSavingsDiscount.getNumOccurrences() > 0);
  97       UserAllowPartial = (P != -1) ||
  98                          (UnrollAllowPartial.getNumOccurrences() > 0);
  99       UserRuntime = (R != -1) || (UnrollRuntime.getNumOccurrences() > 0);
 100       UserCount = (C != -1) || (UnrollCount.getNumOccurrences() > 0);
 101
 102       initializeLoopUnrollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 103     }
 104
 105     /// A magic value for use with the Threshold parameter to indicate
 106     /// that the loop unroll should be performed regardless of how much
 107     /// code expansion would result.
 108     static const unsigned NoThreshold = UINT_MAX;
 109
 110     // Threshold to use when optsize is specified (and there is no
 111     // explicit -unroll-threshold).
 112     static const unsigned OptSizeUnrollThreshold = 50;
 113
 114     // Default unroll count for loops with run-time trip count if
 115     // -unroll-count is not set
 116     static const unsigned UnrollRuntimeCount = 8;
 117
 118     unsigned CurrentCount;
 119     unsigned CurrentThreshold;
 120     unsigned CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold;
 121     unsigned CurrentDynamicCostSavingsDiscount;
 122     bool CurrentAllowPartial;
 123     bool CurrentRuntime;
 124
 125     // Flags for whether the 'current' settings are user-specified.
 126     bool UserCount;
 127     bool UserThreshold;
 128     bool UserPercentDynamicCostSavedThreshold;
 129     bool UserDynamicCostSavingsDiscount;
 130     bool UserAllowPartial;
 131     bool UserRuntime;
 132
 133     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
 134
 135     /// This transformation requires natural loop information & requires that
 136     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
 137     ///
 138     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 139       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
 140       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 141       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
 142       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
 143       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
 144       AU.addRequiredID(LCSSAID);
 145       AU.addPreservedID(LCSSAID);
 146       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 147       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
 148       AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
 149       // FIXME: Loop unroll requires LCSSA. And LCSSA requires dom info.
 150       // If loop unroll does not preserve dom info then LCSSA pass on next
 151       // loop will receive invalid dom info.
 152       // For now, recreate dom info, if loop is unrolled.
 153       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
 154     }
 155
 156     // Fill in the UnrollingPreferences parameter with values from the
 157     // TargetTransformationInfo.
 158     void getUnrollingPreferences(Loop *L, const TargetTransformInfo &TTI,
 159                                  TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP) {
 160       UP.Threshold = CurrentThreshold;
 161       UP.PercentDynamicCostSavedThreshold =
 162           CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold;
 163       UP.DynamicCostSavingsDiscount = CurrentDynamicCostSavingsDiscount;
 164       UP.OptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 165       UP.PartialThreshold = CurrentThreshold;
 166       UP.PartialOptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 167       UP.Count = CurrentCount;
 168       UP.MaxCount = UINT_MAX;
 169       UP.Partial = CurrentAllowPartial;
 170       UP.Runtime = CurrentRuntime;
 171       UP.AllowExpensiveTripCount = false;
 172       TTI.getUnrollingPreferences(L, UP);
 173     }
 174
 175     // Select and return an unroll count based on parameters from
 176     // user, unroll preferences, unroll pragmas, or a heuristic.
 177     // SetExplicitly is set to true if the unroll count is is set by
 178     // the user or a pragma rather than selected heuristically.
 179     unsigned
 180     selectUnrollCount(const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 181                       unsigned PragmaCount,
 182                       const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 183                       bool &SetExplicitly);
 184
 185     // Select threshold values used to limit unrolling based on a
 186     // total unrolled size.  Parameters Threshold and PartialThreshold
 187     // are set to the maximum unrolled size for fully and partially
 188     // unrolled loops respectively.
 189     void selectThresholds(const Loop *L, bool HasPragma,
 190                           const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 191                           unsigned &Threshold, unsigned &PartialThreshold,
 192                           unsigned &PercentDynamicCostSavedThreshold,
 193                           unsigned &DynamicCostSavingsDiscount) {
 194       // Determine the current unrolling threshold.  While this is
 195       // normally set from UnrollThreshold, it is overridden to a
 196       // smaller value if the current function is marked as
 197       // optimize-for-size, and the unroll threshold was not user
 198       // specified.
 199       Threshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.Threshold;
 200       PartialThreshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.PartialThreshold;
 201       PercentDynamicCostSavedThreshold =
 202           UserPercentDynamicCostSavedThreshold
 203               ? CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold
 204               : UP.PercentDynamicCostSavedThreshold;
 205       DynamicCostSavingsDiscount = UserDynamicCostSavingsDiscount
 206                                        ? CurrentDynamicCostSavingsDiscount
 207                                        : UP.DynamicCostSavingsDiscount;
 208
 209       if (!UserThreshold &&
 210           L->getHeader()->getParent()->hasFnAttribute(
 211               Attribute::OptimizeForSize)) {
 212         Threshold = UP.OptSizeThreshold;
 213         PartialThreshold = UP.PartialOptSizeThreshold;
 214       }
 215       if (HasPragma) {
 216         // If the loop has an unrolling pragma, we want to be more
 217         // aggressive with unrolling limits.  Set thresholds to at
 218         // least the PragmaTheshold value which is larger than the
 219         // default limits.
 220         if (Threshold != NoThreshold)
 221           Threshold = std::max<unsigned>(Threshold, PragmaUnrollThreshold);
 222         if (PartialThreshold != NoThreshold)
 223           PartialThreshold =
 224               std::max<unsigned>(PartialThreshold, PragmaUnrollThreshold);
 225       }
 226     }
 227     bool canUnrollCompletely(Loop *L, unsigned Threshold,
 228                              unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold,
 229                              unsigned DynamicCostSavingsDiscount,
 230                              uint64_t UnrolledCost, uint64_t RolledDynamicCost);
 231   };
 232 }
 233
 234 char LoopUnroll::ID = 0;
 235 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 236 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
 237 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
 238 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 239 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 240 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 241 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 242 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 243
 244 Pass *llvm::createLoopUnrollPass(int Threshold, int Count, int AllowPartial,
 245                                  int Runtime) {
 246   return new LoopUnroll(Threshold, Count, AllowPartial, Runtime);
 247 }
 248
 249 Pass *llvm::createSimpleLoopUnrollPass() {
 250   return llvm::createLoopUnrollPass(-1, -1, 0, 0);
 251 }
 252
 253 namespace {
 254 // This class is used to get an estimate of the optimization effects that we
 255 // could get from complete loop unrolling. It comes from the fact that some
 256 // loads might be replaced with concrete constant values and that could trigger
 257 // a chain of instruction simplifications.
 258 //
 259 // E.g. we might have:
 260 //   int a[] = {0, 1, 0};
 261 //   v = 0;
 262 //   for (i = 0; i < 3; i ++)
 263 //     v += b[i]*a[i];
 264 // If we completely unroll the loop, we would get:
 265 //   v = b[0]*a[0] + b[1]*a[1] + b[2]*a[2]
 266 // Which then will be simplified to:
 267 //   v = b[0]* 0 + b[1]* 1 + b[2]* 0
 268 // And finally:
 269 //   v = b[1]
 270 class UnrolledInstAnalyzer : private InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool> {
 271   typedef InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool> Base;
 272   friend class InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool>;
 273   struct SimplifiedAddress {
 274     Value *Base = nullptr;
 275     ConstantInt *Offset = nullptr;
 276   };
 277
 278 public:
 279   UnrolledInstAnalyzer(unsigned Iteration,
 280                        DenseMap<Value *, Constant *> &SimplifiedValues,
 281                        const Loop *L, ScalarEvolution &SE)
 282       : Iteration(Iteration), SimplifiedValues(SimplifiedValues), L(L), SE(SE) {
 283       IterationNumber = SE.getConstant(APInt(64, Iteration));
 284   }
 285
 286   // Allow access to the initial visit method.
 287   using Base::visit;
 288
 289 private:
 290   /// \brief A cache of pointer bases and constant-folded offsets corresponding
 291   /// to GEP (or derived from GEP) instructions.
 292   ///
 293   /// In order to find the base pointer one needs to perform non-trivial
 294   /// traversal of the corresponding SCEV expression, so it's good to have the
 295   /// results saved.
 296   DenseMap<Value *, SimplifiedAddress> SimplifiedAddresses;
 297
 298   /// \brief Number of currently simulated iteration.
 299   ///
 300   /// If an expression is ConstAddress+Constant, then the Constant is
 301   /// Start + Iteration*Step, where Start and Step could be obtained from
 302   /// SCEVGEPCache.
 303   unsigned Iteration;
 304
 305   /// \brief SCEV expression corresponding to number of currently simulated
 306   /// iteration.
 307   const SCEV *IterationNumber;
 308
 309   /// \brief A Value->Constant map for keeping values that we managed to
 310   /// constant-fold on the given iteration.
 311   ///
 312   /// While we walk the loop instructions, we build up and maintain a mapping
 313   /// of simplified values specific to this iteration.  The idea is to propagate
 314   /// any special information we have about loads that can be replaced with
 315   /// constants after complete unrolling, and account for likely simplifications
 316   /// post-unrolling.
 317   DenseMap<Value *, Constant *> &SimplifiedValues;
 318
 319   const Loop *L;
 320   ScalarEvolution &SE;
 321
 322   /// \brief Try to simplify instruction \param I using its SCEV expression.
 323   ///
 324   /// The idea is that some AddRec expressions become constants, which then
 325   /// could trigger folding of other instructions. However, that only happens
 326   /// for expressions whose start value is also constant, which isn't always the
 327   /// case. In another common and important case the start value is just some
 328   /// address (i.e. SCEVUnknown) - in this case we compute the offset and save
 329   /// it along with the base address instead.
 330   bool simplifyInstWithSCEV(Instruction *I) {
 331     if (!SE.isSCEVable(I->getType()))
 332       return false;
 333
 334     const SCEV *S = SE.getSCEV(I);
 335     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
 336       SimplifiedValues[I] = SC->getValue();
 337       return true;
 338     }
 339
 340     auto *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S);
 341     if (!AR)
 342       return false;
 343
 344     const SCEV *ValueAtIteration = AR->evaluateAtIteration(IterationNumber, SE);
 345     // Check if the AddRec expression becomes a constant.
 346     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ValueAtIteration)) {
 347       SimplifiedValues[I] = SC->getValue();
 348       return true;
 349     }
 350
 351     // Check if the offset from the base address becomes a constant.
 352     auto *Base = dyn_cast<SCEVUnknown>(SE.getPointerBase(S));
 353     if (!Base)
 354       return false;
 355     auto *Offset =
 356         dyn_cast<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(ValueAtIteration, Base));
 357     if (!Offset)
 358       return false;
 359     SimplifiedAddress Address;
 360     Address.Base = Base->getValue();
 361     Address.Offset = Offset->getValue();
 362     SimplifiedAddresses[I] = Address;
 363     return true;
 364   }
 365
 366   /// Base case for the instruction visitor.
 367   bool visitInstruction(Instruction &I) {
 368     return simplifyInstWithSCEV(&I);
 369   }
 370
 371   /// Try to simplify binary operator I.
 372   ///
 373   /// TODO: Probaly it's worth to hoist the code for estimating the
 374   /// simplifications effects to a separate class, since we have a very similar
 375   /// code in InlineCost already.
 376   bool visitBinaryOperator(BinaryOperator &I) {
 377     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 378     if (!isa<Constant>(LHS))
 379       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 380         LHS = SimpleLHS;
 381     if (!isa<Constant>(RHS))
 382       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 383         RHS = SimpleRHS;
 384
 385     Value *SimpleV = nullptr;
 386     const DataLayout &DL = I.getModule()->getDataLayout();
 387     if (auto FI = dyn_cast<FPMathOperator>(&I))
 388       SimpleV =
 389           SimplifyFPBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, FI->getFastMathFlags(), DL);
 390     else
 391       SimpleV = SimplifyBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, DL);
 392
 393     if (Constant *C = dyn_cast_or_null<Constant>(SimpleV))
 394       SimplifiedValues[&I] = C;
 395
 396     if (SimpleV)
 397       return true;
 398     return Base::visitBinaryOperator(I);
 399   }
 400
 401   /// Try to fold load I.
 402   bool visitLoad(LoadInst &I) {
 403     Value *AddrOp = I.getPointerOperand();
 404
 405     auto AddressIt = SimplifiedAddresses.find(AddrOp);
 406     if (AddressIt == SimplifiedAddresses.end())
 407       return false;
 408     ConstantInt *SimplifiedAddrOp = AddressIt->second.Offset;
 409
 410     auto *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(AddressIt->second.Base);
 411     // We're only interested in loads that can be completely folded to a
 412     // constant.
 413     if (!GV || !GV->hasInitializer())
 414       return false;
 415
 416     ConstantDataSequential *CDS =
 417         dyn_cast<ConstantDataSequential>(GV->getInitializer());
 418     if (!CDS)
 419       return false;
 420
 421     int ElemSize = CDS->getElementType()->getPrimitiveSizeInBits() / 8U;
 422     assert(SimplifiedAddrOp->getValue().getActiveBits() < 64 &&
 423            "Unexpectedly large index value.");
 424     int64_t Index = SimplifiedAddrOp->getSExtValue() / ElemSize;
 425     if (Index >= CDS->getNumElements()) {
 426       // FIXME: For now we conservatively ignore out of bound accesses, but
 427       // we're allowed to perform the optimization in this case.
 428       return false;
 429     }
 430
 431     Constant *CV = CDS->getElementAsConstant(Index);
 432     assert(CV && "Constant expected.");
 433     SimplifiedValues[&I] = CV;
 434
 435     return true;
 436   }
 437
 438   bool visitCastInst(CastInst &I) {
 439     // Propagate constants through casts.
 440     Constant *COp = dyn_cast<Constant>(I.getOperand(0));
 441     if (!COp)
 442       COp = SimplifiedValues.lookup(I.getOperand(0));
 443     if (COp)
 444       if (Constant *C =
 445               ConstantExpr::getCast(I.getOpcode(), COp, I.getType())) {
 446         SimplifiedValues[&I] = C;
 447         return true;
 448       }
 449
 450     return Base::visitCastInst(I);
 451   }
 452
 453   bool visitCmpInst(CmpInst &I) {
 454     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 455
 456     // First try to handle simplified comparisons.
 457     if (!isa<Constant>(LHS))
 458       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 459         LHS = SimpleLHS;
 460     if (!isa<Constant>(RHS))
 461       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 462         RHS = SimpleRHS;
 463
 464     if (!isa<Constant>(LHS) && !isa<Constant>(RHS)) {
 465       auto SimplifiedLHS = SimplifiedAddresses.find(LHS);
 466       if (SimplifiedLHS != SimplifiedAddresses.end()) {
 467         auto SimplifiedRHS = SimplifiedAddresses.find(RHS);
 468         if (SimplifiedRHS != SimplifiedAddresses.end()) {
 469           SimplifiedAddress &LHSAddr = SimplifiedLHS->second;
 470           SimplifiedAddress &RHSAddr = SimplifiedRHS->second;
 471           if (LHSAddr.Base == RHSAddr.Base) {
 472             LHS = LHSAddr.Offset;
 473             RHS = RHSAddr.Offset;
 474           }
 475         }
 476       }
 477     }
 478
 479     if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(LHS)) {
 480       if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(RHS)) {
 481         if (Constant *C = ConstantExpr::getCompare(I.getPredicate(), CLHS, CRHS)) {
 482           SimplifiedValues[&I] = C;
 483           return true;
 484         }
 485       }
 486     }
 487
 488     return Base::visitCmpInst(I);
 489   }
 490 };
 491 } // namespace
 492
 493
 494 namespace {
 495 struct EstimatedUnrollCost {
 496   /// \brief The estimated cost after unrolling.
 497   unsigned UnrolledCost;
 498
 499   /// \brief The estimated dynamic cost of executing the instructions in the
 500   /// rolled form.
 501   unsigned RolledDynamicCost;
 502 };
 503 }
 504
 505 /// \brief Figure out if the loop is worth full unrolling.
 506 ///
 507 /// Complete loop unrolling can make some loads constant, and we need to know
 508 /// if that would expose any further optimization opportunities.  This routine
 509 /// estimates this optimization.  It computes cost of unrolled loop
 510 /// (UnrolledCost) and dynamic cost of the original loop (RolledDynamicCost). By
 511 /// dynamic cost we mean that we won't count costs of blocks that are known not
 512 /// to be executed (i.e. if we have a branch in the loop and we know that at the
 513 /// given iteration its condition would be resolved to true, we won't add up the
 514 /// cost of the 'false'-block).
 515 /// \returns Optional value, holding the RolledDynamicCost and UnrolledCost. If
 516 /// the analysis failed (no benefits expected from the unrolling, or the loop is
 517 /// too big to analyze), the returned value is None.
 518 Optional<EstimatedUnrollCost>
 519 analyzeLoopUnrollCost(const Loop *L, unsigned TripCount, ScalarEvolution &SE,
 520                       const TargetTransformInfo &TTI,
 521                       unsigned MaxUnrolledLoopSize) {
 522   // We want to be able to scale offsets by the trip count and add more offsets
 523   // to them without checking for overflows, and we already don't want to
 524   // analyze *massive* trip counts, so we force the max to be reasonably small.
 525   assert(UnrollMaxIterationsCountToAnalyze < (INT_MAX / 2) &&
 526          "The unroll iterations max is too large!");
 527
 528   // Don't simulate loops with a big or unknown tripcount
 529   if (!UnrollMaxIterationsCountToAnalyze || !TripCount ||
 530       TripCount > UnrollMaxIterationsCountToAnalyze)
 531     return None;
 532
 533   SmallSetVector<BasicBlock *, 16> BBWorklist;
 534   DenseMap<Value *, Constant *> SimplifiedValues;
 535
 536   // The estimated cost of the unrolled form of the loop. We try to estimate
 537   // this by simplifying as much as we can while computing the estimate.
 538   unsigned UnrolledCost = 0;
 539   // We also track the estimated dynamic (that is, actually executed) cost in
 540   // the rolled form. This helps identify cases when the savings from unrolling
 541   // aren't just exposing dead control flows, but actual reduced dynamic
 542   // instructions due to the simplifications which we expect to occur after
 543   // unrolling.
 544   unsigned RolledDynamicCost = 0;
 545
 546   // Simulate execution of each iteration of the loop counting instructions,
 547   // which would be simplified.
 548   // Since the same load will take different values on different iterations,
 549   // we literally have to go through all loop's iterations.
 550   for (unsigned Iteration = 0; Iteration < TripCount; ++Iteration) {
 551     SimplifiedValues.clear();
 552     UnrolledInstAnalyzer Analyzer(Iteration, SimplifiedValues, L, SE);
 553
 554     BBWorklist.clear();
 555     BBWorklist.insert(L->getHeader());
 556     // Note that we *must not* cache the size, this loop grows the worklist.
 557     for (unsigned Idx = 0; Idx != BBWorklist.size(); ++Idx) {
 558       BasicBlock *BB = BBWorklist[Idx];
 559
 560       // Visit all instructions in the given basic block and try to simplify
 561       // it.  We don't change the actual IR, just count optimization
 562       // opportunities.
 563       for (Instruction &I : *BB) {
 564         unsigned InstCost = TTI.getUserCost(&I);
 565
 566         // Visit the instruction to analyze its loop cost after unrolling,
 567         // and if the visitor returns false, include this instruction in the
 568         // unrolled cost.
 569         if (!Analyzer.visit(I))
 570           UnrolledCost += InstCost;
 571
 572         // Also track this instructions expected cost when executing the rolled
 573         // loop form.
 574         RolledDynamicCost += InstCost;
 575
 576         // If unrolled body turns out to be too big, bail out.
 577         if (UnrolledCost > MaxUnrolledLoopSize)
 578           return None;
 579       }
 580
 581       TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
 582
 583       // Add in the live successors by first checking whether we have terminator
 584       // that may be simplified based on the values simplified by this call.
 585       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
 586         if (BI->isConditional()) {
 587           if (Constant *SimpleCond =
 588                   SimplifiedValues.lookup(BI->getCondition())) {
 589             BBWorklist.insert(BI->getSuccessor(
 590                 cast<ConstantInt>(SimpleCond)->isZero() ? 1 : 0));
 591             continue;
 592           }
 593         }
 594       } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
 595         if (Constant *SimpleCond =
 596                 SimplifiedValues.lookup(SI->getCondition())) {
 597           BBWorklist.insert(
 598               SI->getSuccessor(cast<ConstantInt>(SimpleCond)->getSExtValue()));
 599           continue;
 600         }
 601       }
 602
 603       // Add BB's successors to the worklist.
 604       for (BasicBlock *Succ : successors(BB))
 605         if (L->contains(Succ))
 606           BBWorklist.insert(Succ);
 607     }
 608
 609     // If we found no optimization opportunities on the first iteration, we
 610     // won't find them on later ones too.
 611     if (UnrolledCost == RolledDynamicCost)
 612       return None;
 613   }
 614   return {{UnrolledCost, RolledDynamicCost}};
 615 }
 616
 617 /// ApproximateLoopSize - Approximate the size of the loop.
 618 static unsigned ApproximateLoopSize(const Loop *L, unsigned &NumCalls,
 619                                     bool &NotDuplicatable,
 620                                     const TargetTransformInfo &TTI,
 621                                     AssumptionCache *AC) {
 622   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
 623   CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
 624
 625   CodeMetrics Metrics;
 626   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
 627        I != E; ++I)
 628     Metrics.analyzeBasicBlock(*I, TTI, EphValues);
 629   NumCalls = Metrics.NumInlineCandidates;
 630   NotDuplicatable = Metrics.notDuplicatable;
 631
 632   unsigned LoopSize = Metrics.NumInsts;
 633
 634   // Don't allow an estimate of size zero.  This would allows unrolling of loops
 635   // with huge iteration counts, which is a compile time problem even if it's
 636   // not a problem for code quality. Also, the code using this size may assume
 637   // that each loop has at least three instructions (likely a conditional
 638   // branch, a comparison feeding that branch, and some kind of loop increment
 639   // feeding that comparison instruction).
 640   LoopSize = std::max(LoopSize, 3u);
 641
 642   return LoopSize;
 643 }
 644
 645 // Returns the loop hint metadata node with the given name (for example,
 646 // "llvm.loop.unroll.count").  If no such metadata node exists, then nullptr is
 647 // returned.
 648 static MDNode *GetUnrollMetadataForLoop(const Loop *L, StringRef Name) {
 649   if (MDNode *LoopID = L->getLoopID())
 650     return GetUnrollMetadata(LoopID, Name);
 651   return nullptr;
 652 }
 653
 654 // Returns true if the loop has an unroll(full) pragma.
 655 static bool HasUnrollFullPragma(const Loop *L) {
 656   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.full");
 657 }
 658
 659 // Returns true if the loop has an unroll(disable) pragma.
 660 static bool HasUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 661   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.disable");
 662 }
 663
 664 // Returns true if the loop has an runtime unroll(disable) pragma.
 665 static bool HasRuntimeUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 666   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.runtime.disable");
 667 }
 668
 669 // If loop has an unroll_count pragma return the (necessarily
 670 // positive) value from the pragma.  Otherwise return 0.
 671 static unsigned UnrollCountPragmaValue(const Loop *L) {
 672   MDNode *MD = GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.count");
 673   if (MD) {
 674     assert(MD->getNumOperands() == 2 &&
 675            "Unroll count hint metadata should have two operands.");
 676     unsigned Count =
 677         mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(1))->getZExtValue();
 678     assert(Count >= 1 && "Unroll count must be positive.");
 679     return Count;
 680   }
 681   return 0;
 682 }
 683
 684 // Remove existing unroll metadata and add unroll disable metadata to
 685 // indicate the loop has already been unrolled.  This prevents a loop
 686 // from being unrolled more than is directed by a pragma if the loop
 687 // unrolling pass is run more than once (which it generally is).
 688 static void SetLoopAlreadyUnrolled(Loop *L) {
 689   MDNode *LoopID = L->getLoopID();
 690   if (!LoopID) return;
 691
 692   // First remove any existing loop unrolling metadata.
 693   SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
 694   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
 695   MDs.push_back(nullptr);
 696   for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
 697     bool IsUnrollMetadata = false;
 698     MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
 699     if (MD) {
 700       const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
 701       IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
 702     }
 703     if (!IsUnrollMetadata)
 704       MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
 705   }
 706
 707   // Add unroll(disable) metadata to disable future unrolling.
 708   LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
 709   SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
 710   DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
 711   MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
 712   MDs.push_back(DisableNode);
 713
 714   MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
 715   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
 716   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
 717   L->setLoopID(NewLoopID);
 718 }
 719
 720 bool LoopUnroll::canUnrollCompletely(Loop *L, unsigned Threshold,
 721                                      unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold,
 722                                      unsigned DynamicCostSavingsDiscount,
 723                                      uint64_t UnrolledCost,
 724                                      uint64_t RolledDynamicCost) {
 725
 726   if (Threshold == NoThreshold) {
 727     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because no threshold is set.\n");
 728     return true;
 729   }
 730
 731   if (UnrolledCost <= Threshold) {
 732     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolled cost: "
 733                  << UnrolledCost << "<" << Threshold << "\n");
 734     return true;
 735   }
 736
 737   assert(UnrolledCost && "UnrolledCost can't be 0 at this point.");
 738   assert(RolledDynamicCost >= UnrolledCost &&
 739          "Cannot have a higher unrolled cost than a rolled cost!");
 740
 741   // Compute the percentage of the dynamic cost in the rolled form that is
 742   // saved when unrolled. If unrolling dramatically reduces the estimated
 743   // dynamic cost of the loop, we use a higher threshold to allow more
 744   // unrolling.
 745   unsigned PercentDynamicCostSaved =
 746       (uint64_t)(RolledDynamicCost - UnrolledCost) * 100ull / RolledDynamicCost;
 747
 748   if (PercentDynamicCostSaved >= PercentDynamicCostSavedThreshold &&
 749       (int64_t)UnrolledCost - (int64_t)DynamicCostSavingsDiscount <=
 750           (int64_t)Threshold) {
 751     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolling will reduce the "
 752                     "expected dynamic cost by " << PercentDynamicCostSaved
 753                  << "% (threshold: " << PercentDynamicCostSavedThreshold
 754                  << "%)\n"
 755                  << "  and the unrolled cost (" << UnrolledCost
 756                  << ") is less than the max threshold ("
 757                  << DynamicCostSavingsDiscount << ").\n");
 758     return true;
 759   }
 760
 761   DEBUG(dbgs() << "  Too large to fully unroll:\n");
 762   DEBUG(dbgs() << "    Threshold: " << Threshold << "\n");
 763   DEBUG(dbgs() << "    Max threshold: " << DynamicCostSavingsDiscount << "\n");
 764   DEBUG(dbgs() << "    Percent cost saved threshold: "
 765                << PercentDynamicCostSavedThreshold << "%\n");
 766   DEBUG(dbgs() << "    Unrolled cost: " << UnrolledCost << "\n");
 767   DEBUG(dbgs() << "    Rolled dynamic cost: " << RolledDynamicCost << "\n");
 768   DEBUG(dbgs() << "    Percent cost saved: " << PercentDynamicCostSaved
 769                << "\n");
 770   return false;
 771 }
 772
 773 unsigned LoopUnroll::selectUnrollCount(
 774     const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 775     unsigned PragmaCount, const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 776     bool &SetExplicitly) {
 777   SetExplicitly = true;
 778
 779   // User-specified count (either as a command-line option or
 780   // constructor parameter) has highest precedence.
 781   unsigned Count = UserCount ? CurrentCount : 0;
 782
 783   // If there is no user-specified count, unroll pragmas have the next
 784   // highest precendence.
 785   if (Count == 0) {
 786     if (PragmaCount) {
 787       Count = PragmaCount;
 788     } else if (PragmaFullUnroll) {
 789       Count = TripCount;
 790     }
 791   }
 792
 793   if (Count == 0)
 794     Count = UP.Count;
 795
 796   if (Count == 0) {
 797     SetExplicitly = false;
 798     if (TripCount == 0)
 799       // Runtime trip count.
 800       Count = UnrollRuntimeCount;
 801     else
 802       // Conservative heuristic: if we know the trip count, see if we can
 803       // completely unroll (subject to the threshold, checked below); otherwise
 804       // try to find greatest modulo of the trip count which is still under
 805       // threshold value.
 806       Count = TripCount;
 807   }
 808   if (TripCount && Count > TripCount)
 809     return TripCount;
 810   return Count;
 811 }
 812
 813 bool LoopUnroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 814   if (skipOptnoneFunction(L))
 815     return false;
 816
 817   Function &F = *L->getHeader()->getParent();
 818
 819   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 820   ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 821   const TargetTransformInfo &TTI =
 822       getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
 823   auto &AC = getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
 824
 825   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 826   DEBUG(dbgs() << "Loop Unroll: F[" << Header->getParent()->getName()
 827         << "] Loop %" << Header->getName() << "\n");
 828
 829   if (HasUnrollDisablePragma(L)) {
 830     return false;
 831   }
 832   bool PragmaFullUnroll = HasUnrollFullPragma(L);
 833   unsigned PragmaCount = UnrollCountPragmaValue(L);
 834   bool HasPragma = PragmaFullUnroll || PragmaCount > 0;
 835
 836   TargetTransformInfo::UnrollingPreferences UP;
 837   getUnrollingPreferences(L, TTI, UP);
 838
 839   // Find trip count and trip multiple if count is not available
 840   unsigned TripCount = 0;
 841   unsigned TripMultiple = 1;
 842   // If there are multiple exiting blocks but one of them is the latch, use the
 843   // latch for the trip count estimation. Otherwise insist on a single exiting
 844   // block for the trip count estimation.
 845   BasicBlock *ExitingBlock = L->getLoopLatch();
 846   if (!ExitingBlock || !L->isLoopExiting(ExitingBlock))
 847     ExitingBlock = L->getExitingBlock();
 848   if (ExitingBlock) {
 849     TripCount = SE->getSmallConstantTripCount(L, ExitingBlock);
 850     TripMultiple = SE->getSmallConstantTripMultiple(L, ExitingBlock);
 851   }
 852
 853   // Select an initial unroll count.  This may be reduced later based
 854   // on size thresholds.
 855   bool CountSetExplicitly;
 856   unsigned Count = selectUnrollCount(L, TripCount, PragmaFullUnroll,
 857                                      PragmaCount, UP, CountSetExplicitly);
 858
 859   unsigned NumInlineCandidates;
 860   bool notDuplicatable;
 861   unsigned LoopSize =
 862       ApproximateLoopSize(L, NumInlineCandidates, notDuplicatable, TTI, &AC);
 863   DEBUG(dbgs() << "  Loop Size = " << LoopSize << "\n");
 864
 865   // When computing the unrolled size, note that the conditional branch on the
 866   // backedge and the comparison feeding it are not replicated like the rest of
 867   // the loop body (which is why 2 is subtracted).
 868   uint64_t UnrolledSize = (uint64_t)(LoopSize-2) * Count + 2;
 869   if (notDuplicatable) {
 870     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop which contains non-duplicatable"
 871                  << " instructions.\n");
 872     return false;
 873   }
 874   if (NumInlineCandidates != 0) {
 875     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop with inlinable calls.\n");
 876     return false;
 877   }
 878
 879   unsigned Threshold, PartialThreshold;
 880   unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold;
 881   unsigned DynamicCostSavingsDiscount;
 882   selectThresholds(L, HasPragma, UP, Threshold, PartialThreshold,
 883                    PercentDynamicCostSavedThreshold,
 884                    DynamicCostSavingsDiscount);
 885
 886   // Given Count, TripCount and thresholds determine the type of
 887   // unrolling which is to be performed.
 888   enum { Full = 0, Partial = 1, Runtime = 2 };
 889   int Unrolling;
 890   if (TripCount && Count == TripCount) {
 891     Unrolling = Partial;
 892     // If the loop is really small, we don't need to run an expensive analysis.
 893     if (canUnrollCompletely(L, Threshold, 100, DynamicCostSavingsDiscount,
 894                             UnrolledSize, UnrolledSize)) {
 895       Unrolling = Full;
 896     } else {
 897       // The loop isn't that small, but we still can fully unroll it if that
 898       // helps to remove a significant number of instructions.
 899       // To check that, run additional analysis on the loop.
 900       if (Optional<EstimatedUnrollCost> Cost = analyzeLoopUnrollCost(
 901               L, TripCount, *SE, TTI, Threshold + DynamicCostSavingsDiscount))
 902         if (canUnrollCompletely(L, Threshold, PercentDynamicCostSavedThreshold,
 903                                 DynamicCostSavingsDiscount, Cost->UnrolledCost,
 904                                 Cost->RolledDynamicCost)) {
 905           Unrolling = Full;
 906         }
 907     }
 908   } else if (TripCount && Count < TripCount) {
 909     Unrolling = Partial;
 910   } else {
 911     Unrolling = Runtime;
 912   }
 913
 914   // Reduce count based on the type of unrolling and the threshold values.
 915   unsigned OriginalCount = Count;
 916   bool AllowRuntime =
 917       (PragmaCount > 0) || (UserRuntime ? CurrentRuntime : UP.Runtime);
 918   // Don't unroll a runtime trip count loop with unroll full pragma.
 919   if (HasRuntimeUnrollDisablePragma(L) || PragmaFullUnroll) {
 920     AllowRuntime = false;
 921   }
 922   if (Unrolling == Partial) {
 923     bool AllowPartial = UserAllowPartial ? CurrentAllowPartial : UP.Partial;
 924     if (!AllowPartial && !CountSetExplicitly) {
 925       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll partially because "
 926                    << "-unroll-allow-partial not given\n");
 927       return false;
 928     }
 929     if (PartialThreshold != NoThreshold && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 930       // Reduce unroll count to be modulo of TripCount for partial unrolling.
 931       Count = (std::max(PartialThreshold, 3u)-2) / (LoopSize-2);
 932       while (Count != 0 && TripCount % Count != 0)
 933         Count--;
 934     }
 935   } else if (Unrolling == Runtime) {
 936     if (!AllowRuntime && !CountSetExplicitly) {
 937       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll loop with runtime trip count "
 938                    << "-unroll-runtime not given\n");
 939       return false;
 940     }
 941     // Reduce unroll count to be the largest power-of-two factor of
 942     // the original count which satisfies the threshold limit.
 943     while (Count != 0 && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 944       Count >>= 1;
 945       UnrolledSize = (LoopSize-2) * Count + 2;
 946     }
 947     if (Count > UP.MaxCount)
 948       Count = UP.MaxCount;
 949     DEBUG(dbgs() << "  partially unrolling with count: " << Count << "\n");
 950   }
 951
 952   if (HasPragma) {
 953     if (PragmaCount != 0)
 954       // If loop has an unroll count pragma mark loop as unrolled to prevent
 955       // unrolling beyond that requested by the pragma.
 956       SetLoopAlreadyUnrolled(L);
 957
 958     // Emit optimization remarks if we are unable to unroll the loop
 959     // as directed by a pragma.
 960     DebugLoc LoopLoc = L->getStartLoc();
 961     Function *F = Header->getParent();
 962     LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 963     if (PragmaFullUnroll && PragmaCount == 0) {
 964       if (TripCount && Count != TripCount) {
 965         emitOptimizationRemarkMissed(
 966             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 967             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 968             "because unrolled size is too large.");
 969       } else if (!TripCount) {
 970         emitOptimizationRemarkMissed(
 971             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 972             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
 973             "because loop has a runtime trip count.");
 974       }
 975     } else if (PragmaCount > 0 && Count != OriginalCount) {
 976       emitOptimizationRemarkMissed(
 977           Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 978           "Unable to unroll loop the number of times directed by "
 979           "unroll_count pragma because unrolled size is too large.");
 980     }
 981   }
 982
 983   if (Unrolling != Full && Count < 2) {
 984     // Partial unrolling by 1 is a nop.  For full unrolling, a factor
 985     // of 1 makes sense because loop control can be eliminated.
 986     return false;
 987   }
 988
 989   // Unroll the loop.
 990   if (!UnrollLoop(L, Count, TripCount, AllowRuntime, UP.AllowExpensiveTripCount,
 991                   TripMultiple, LI, this, &LPM, &AC))
 992     return false;
 993
 994   return true;
 995 }