Convert a ton of simple integer type equality tests to the new predicate.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
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 transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/Function.h"
34 #include "llvm/Instructions.h"
35 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
36 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
37 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
45 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include <algorithm>
50 #include <set>
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
54 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
55 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
56 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
57 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
58
59 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
60 // few specific examples.
61 static cl::opt<unsigned>
62 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
63           cl::init(50), cl::Hidden);
64   
65 namespace {
66   class LoopUnswitch : public LoopPass {
67     LoopInfo *LI;  // Loop information
68     LPPassManager *LPM;
69
70     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
71     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
72     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
73     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
74     
75     bool OptimizeForSize;
76     bool redoLoop;
77
78     Loop *currentLoop;
79     DominanceFrontier *DF;
80     DominatorTree *DT;
81     BasicBlock *loopHeader;
82     BasicBlock *loopPreheader;
83     
84     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
85     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
86     // loop, in that order.
87     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
88     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
89     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
90
91   public:
92     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
93     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
94       LoopPass(&ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
95       currentLoop(NULL), DF(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
96       loopPreheader(NULL) {}
97
98     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
99     bool processCurrentLoop();
100
101     /// This transformation requires natural loop information & requires that
102     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
103     ///
104     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
105       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
106       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
107       AU.addRequired<LoopInfo>();
108       AU.addPreserved<LoopInfo>();
109       AU.addRequiredID(LCSSAID);
110       AU.addPreservedID(LCSSAID);
111       AU.addPreserved<DominatorTree>();
112       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
113     }
114
115   private:
116
117     virtual void releaseMemory() {
118       UnswitchedVals.clear();
119     }
120
121     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
122     /// remove it.
123     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
124       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
125                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
126       if (I != LoopProcessWorklist.end())
127         LoopProcessWorklist.erase(I);
128     }
129
130     void initLoopData() {
131       loopHeader = currentLoop->getHeader();
132       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
133     }
134
135     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
136     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
137     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
138
139     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
140     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
141                                   BasicBlock *ExitBlock);
142     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
143
144     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
145                                               Constant *Val, bool isEqual);
146
147     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
148                                         BasicBlock *TrueDest, 
149                                         BasicBlock *FalseDest,
150                                         Instruction *InsertPt);
151
152     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
153     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
154                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
155     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
156     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
157                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
158
159   };
160 }
161 char LoopUnswitch::ID = 0;
162 static RegisterPass<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
163
164 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
165   return new LoopUnswitch(Os); 
166 }
167
168 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
169 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
170 /// Otherwise, return null.
171 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
172   // Constants should be folded, not unswitched on!
173   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
174
175   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
176
177   // Hoist simple values out.
178   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
179     return Cond;
180
181   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
182     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
183         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
184       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
185       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
186       // simplify in the other one.
187       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
188         return LHS;
189       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
190         return RHS;
191     }
192   
193   return 0;
194 }
195
196 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
197   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
198   LPM = &LPM_Ref;
199   DF = getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>();
200   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
201   currentLoop = L;
202   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
203   bool Changed = false;
204   do {
205     assert(currentLoop->isLCSSAForm());
206     redoLoop = false;
207     Changed |= processCurrentLoop();
208   } while(redoLoop);
209
210   if (Changed) {
211     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
212     if (DT)
213       DT->runOnFunction(*F);
214     if (DF)
215       DF->runOnFunction(*F);
216   }
217   return Changed;
218 }
219
220 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
221 /// and profitable.
222 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
223   bool Changed = false;
224   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
225
226   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
227   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
228   // loop.
229   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
230          E = currentLoop->block_end();
231        I != E; ++I) {
232     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
233     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
234       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
235       // it.
236       if (BI->isConditional()) {
237         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
238         // unswitch on it if we desire.
239         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
240                                                currentLoop, Changed);
241         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
242                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
243           ++NumBranches;
244           return true;
245         }
246       }      
247     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
248       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
249                                              currentLoop, Changed);
250       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
251         // Find a value to unswitch on:
252         // FIXME: this should chose the most expensive case!
253         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
254         // Do not process same value again and again.
255         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
256           continue;
257
258         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
259           ++NumSwitches;
260           return true;
261         }
262       }
263     }
264     
265     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
266     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
267          BBI != E; ++BBI)
268       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
269         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
270                                                currentLoop, Changed);
271         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
272                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
273           ++NumSelects;
274           return true;
275         }
276       }
277   }
278   return Changed;
279 }
280
281 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
282 ///   1. Exit the loop with no side effects.
283 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
284 ///
285 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
286 /// exit through.
287 ///
288 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
289                                          BasicBlock *&ExitBB,
290                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
291   if (!Visited.insert(BB).second) {
292     // Already visited and Ok, end of recursion.
293     return true;
294   } else if (!L->contains(BB)) {
295     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
296     // first exit.
297     if (ExitBB != 0) return false;
298     ExitBB = BB;
299     return true;
300   }
301   
302   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
303   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
304     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
305     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
306       return false;
307   }
308
309   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
310   // doesn't include any side effects.
311   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
312     if (I->mayHaveSideEffects())
313       return false;
314   
315   return true;
316 }
317
318 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
319 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
320 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
321 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
322   std::set<BasicBlock*> Visited;
323   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
324   BasicBlock *ExitBB = 0;
325   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
326     return ExitBB;
327   return 0;
328 }
329
330 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
331 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
332 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
333 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
334 /// loop, which gets deleted).
335 ///
336 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
337 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
338 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
339 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
340 /// Cond == Val.
341 ///
342 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
343                                        BasicBlock **LoopExit) {
344   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
345   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
346   LLVMContext &Context = Header->getContext();
347   
348   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
349   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
350     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
351     // can't handle it.
352     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
353       return false;
354   
355     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
356     // latch block or exit through a one exit block without having any 
357     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
358     // this.
359     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
360                                              BI->getSuccessor(0)))) {
361       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
362     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
363                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
364       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
365     }
366   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
367     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
368     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
369     
370     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
371     // latch block or exit through a one exit block without having any 
372     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
373     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
374     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
375       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
376                                                SI->getSuccessor(i)))) {
377         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
378         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
379         break;
380       }
381   }
382
383   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
384   // contains phi nodes, this isn't trivial.
385   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
386     return false;   // Can't handle this.
387   
388   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
389   
390   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
391   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
392   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
393   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
394   // tail, check the header now.
395   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
396     if (I->mayHaveSideEffects())
397       return false;
398   return true;
399 }
400
401 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
402 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
403 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
404 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val){
405
406   initLoopData();
407
408   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
409   if (!loopPreheader)
410     return false;
411
412   Function *F = loopHeader->getParent();
413
414   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
415   // this case.
416   if (!IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond)) {
417     // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
418
419     // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
420     if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
421       return false;
422
423     // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
424     // consideration code simplification opportunities and code that can
425     // be shared by the resultant unswitched loops.
426     CodeMetrics Metrics;
427     for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
428            E = currentLoop->block_end();
429          I != E; ++I)
430       Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
431
432     // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
433     // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
434     // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
435     // This is a very ad-hoc heuristic.
436     if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
437         Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
438         Metrics.NeverInline) {
439       DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
440             << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
441             << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
442       return false;
443     }
444   }
445
446   Constant *CondVal;
447   BasicBlock *ExitBlock;
448   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
449     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
450   } else {
451     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
452   }
453
454   return true;
455 }
456
457 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
458 // current values into those specified by ValueMap.
459 //
460 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
461                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
462   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
463     Value *Op = I->getOperand(op);
464     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
465     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
466     I->setOperand(op, Op);
467   }
468 }
469
470 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
471 /// mapping the blocks with the specified map.
472 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, DenseMap<const Value*, Value*> &VM,
473                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
474   Loop *New = new Loop();
475
476   LPM->insertLoop(New, PL);
477
478   // Add all of the blocks in L to the new loop.
479   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
480        I != E; ++I)
481     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
482       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
483
484   // Add all of the subloops to the new loop.
485   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
486     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
487
488   return New;
489 }
490
491 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
492 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
493 /// code immediately before InsertPt.
494 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
495                                                   BasicBlock *TrueDest,
496                                                   BasicBlock *FalseDest,
497                                                   Instruction *InsertPt) {
498   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
499   // code is the true version and the new code is the false version.
500   Value *BranchVal = LIC;
501   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
502       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
503     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
504   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
505     // We want to enter the new loop when the condition is true.
506     std::swap(TrueDest, FalseDest);
507
508   // Insert the new branch.
509   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
510
511   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
512   // form for enclosing loops.
513   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
514   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
515 }
516
517 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
518 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
519 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
520 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
521 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
522 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
523                                             Constant *Val, 
524                                             BasicBlock *ExitBlock) {
525   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
526         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
527         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
528         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
529   
530   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
531   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
532   // conditional branch on Cond.
533   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
534
535   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
536   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
537   // short-circuit to.
538   
539   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
540   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
541   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
542   // loop header, not the preheader).
543   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
544   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
545     
546   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
547   // insert the new conditional branch.
548   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
549                                  loopPreheader->getTerminator());
550   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
551   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
552
553   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
554   redoLoop = true;
555   
556   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
557   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
558   // at least eliminate the old branch.
559   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
560   ++NumTrivial;
561 }
562
563 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
564 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
565 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
566                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks) 
567 {
568
569   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
570     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
571     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
572                                        pred_end(ExitBlock));
573     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
574                            ".us-lcssa", this);
575   }
576 }
577
578 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
579 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
580 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
581 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
582                                                Loop *L) {
583   Function *F = loopHeader->getParent();
584   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
585         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
586         << " blocks] in Function " << F->getName()
587         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
588
589   LoopBlocks.clear();
590   NewBlocks.clear();
591
592   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
593   // the LoopBlocks list.
594   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
595   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
596
597   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
598   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
599
600   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
601   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
602
603   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
604   // the appropriate Phi nodes as we do so.
605   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
606
607   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
608   ExitBlocks.clear();
609   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
610
611   // Add exit blocks to the loop blocks.
612   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
613
614   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
615   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
616   // the instructions and blocks.
617   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
618   DenseMap<const Value*, Value*> ValueMap;
619   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
620     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
621     NewBlocks.push_back(New);
622     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
623     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], New, L);
624   }
625
626   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
627   // original preheader.
628   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
629                                 NewBlocks[0], F->end());
630
631   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
632   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI, LPM);
633   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
634   if (ParentLoop) {
635     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
636     // as well.
637     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
638   }
639   
640   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
641     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
642     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
643     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
644       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
645     
646     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
647            "Exit block should have been split to have one successor!");
648     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
649
650     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
651     // NewExit.
652     PHINode *PN;
653     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
654          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
655       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
656       DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
657       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
658       PN->addIncoming(V, NewExit);
659     }
660   }
661
662   // Rewrite the code to refer to itself.
663   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
664     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
665            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
666       RemapInstruction(I, ValueMap);
667   
668   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
669   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
670   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
671          "Preheader splitting did not work correctly!");
672
673   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
674   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
675   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
676   OldBR->eraseFromParent();
677
678   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
679   redoLoop = true;
680
681   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
682   // new code to know that the condition is false.
683   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L      , LIC, Val, false);
684   
685   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
686   // deleted.  If so, don't simplify it.
687   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
688     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
689
690 }
691
692 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
693 /// specified.
694 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
695                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
696   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
697                                                      Worklist.end(), I);
698   while (WI != Worklist.end()) {
699     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
700     Worklist.erase(WI);
701     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
702   }
703 }
704
705 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
706 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
707 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
708                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
709                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
710   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
711
712   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
713   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
714     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
715       Worklist.push_back(Use);
716
717   // Add users to the worklist which may be simplified now.
718   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
719        UI != E; ++UI)
720     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
721   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
722   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
723   I->replaceAllUsesWith(V);
724   I->eraseFromParent();
725   ++NumSimplify;
726 }
727
728 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
729 /// information, and remove any dead successors it has.
730 ///
731 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
732                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
733                                      Loop *L) {
734   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
735     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
736     // are any easy simplifications we can do now.
737     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
738       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
739       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
740         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
741                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
742                           Worklist, L, LPM);
743       
744       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
745       // have an unreachable loop.
746       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
747         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
748           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
749           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
750           // dominates the latch).
751           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
752           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
753           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
754           
755           // The loop is now broken, remove it from LI.
756           RemoveLoopFromHierarchy(L);
757           
758           // Reprocess the header, which now IS dead.
759           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
760           return;
761         }
762       
763       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
764       // the two blocks will get merged.
765       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
766         if (BI->isUnconditional())
767           Worklist.push_back(BI);
768     }
769     return;
770   }
771
772   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
773   
774   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
775   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
776     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
777     
778     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
779     // uses replaced with undefs.
780     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
781     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
782     if (!I->getType()->isVoidTy())
783       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
784   }
785   
786   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
787   // promote all subloops.
788   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
789     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
790       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
791   }
792
793   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
794   // was in.
795   LI->removeBlock(BB);
796   
797   
798   // Remove phi node entries in successors for this block.
799   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
800   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
801   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
802     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
803     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
804   }
805   
806   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
807   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
808   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
809   
810   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
811   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
812   BB->eraseFromParent();
813   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
814   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
815   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
816   //
817   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
818     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
819       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
820       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
821       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
822       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
823       // above and headers can only have two predecessors.
824       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
825         Succs.erase(Succs.begin()+i);
826         --i;
827       }
828     }
829   
830   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
831     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
832 }
833
834 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
835 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
836 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
837 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
838 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
839 /// removed later.
840 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
841   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
842   RemoveLoopFromWorklist(L);
843 }
844
845 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
846 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
847 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
848 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
849                                                         Constant *Val,
850                                                         bool IsEqual) {
851   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
852   
853   // FIXME: Support correlated properties, like:
854   //  for (...)
855   //    if (li1 < li2)
856   //      ...
857   //    if (li1 > li2)
858   //      ...
859   
860   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
861   // selects, switches.
862   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
863   std::vector<Instruction*> Worklist;
864   LLVMContext &Context = Val->getContext();
865
866
867   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
868   // in the loop with the appropriate one directly.
869   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
870       Val->getType()->isInteger(1))) {
871     Value *Replacement;
872     if (IsEqual)
873       Replacement = Val;
874     else
875       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
876                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
877     
878     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
879       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
880         if (!L->contains(U))
881           continue;
882         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
883         Worklist.push_back(U);
884       }
885   } else {
886     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
887     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
888     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
889     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
890       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
891         if (!L->contains(U))
892           continue;
893
894         Worklist.push_back(U);
895
896         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
897         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
898           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
899             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
900               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
901               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
902               // be in the Users list.
903               
904               // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
905               // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
906               // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
907               // loop structure and put the block on a dead code path.
908               BasicBlock *Switch = SI->getParent();
909               SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(i), this);
910               // Compute the successors instead of relying on the return value
911               // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
912               // after PHI nodes.
913               BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(i);
914               BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
915               // Create an "unreachable" destination.
916               BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
917                                                      Switch->getParent(),
918                                                      OldSISucc);
919               new UnreachableInst(Context, Abort);
920               // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
921               // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
922               NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
923               BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
924                                  ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
925               // Release the PHI operands for this edge.
926               for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
927                    PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
928                 PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
929                                      UndefValue::get(PN->getType()));
930               // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
931               // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
932               // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
933               // new blocks.
934               if (DT)
935                 DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
936               break;
937             }
938           }
939         }
940         
941         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
942         // LIC == Val -> false.
943       }
944   }
945   
946   SimplifyCode(Worklist, L);
947 }
948
949 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
950 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
951 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
952 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
953 /// it must not be used.
954 ///
955 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
956 /// pass.
957 ///
958 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
959   while (!Worklist.empty()) {
960     Instruction *I = Worklist.back();
961     Worklist.pop_back();
962     
963     // Simple constant folding.
964     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
965       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
966       continue;
967     }
968     
969     // Simple DCE.
970     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
971       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
972       
973       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
974       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
975         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
976           Worklist.push_back(Use);
977       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
978       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
979       I->eraseFromParent();
980       ++NumSimplify;
981       continue;
982     }
983     
984     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
985     switch (I->getOpcode()) {
986     case Instruction::Select:
987       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(0))) {
988         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getZExtValue()+1), Worklist, L,
989                           LPM);
990         continue;
991       }
992       break;
993     case Instruction::And:
994       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) && 
995           // constant -> RHS
996           I->getOperand(0)->getType()->isInteger(1))
997         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
998       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) 
999         if (CB->getType()->isInteger(1)) {
1000           if (CB->isOne())      // X & 1 -> X
1001             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1002           else                  // X & 0 -> 0
1003             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1004           continue;
1005         }
1006       break;
1007     case Instruction::Or:
1008       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) &&
1009           // constant -> RHS
1010           I->getOperand(0)->getType()->isInteger(1))
1011         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1012       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1013         if (CB->getType()->isInteger(1)) {
1014           if (CB->isOne())   // X | 1 -> 1
1015             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1016           else                  // X | 0 -> X
1017             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1018           continue;
1019         }
1020       break;
1021     case Instruction::Br: {
1022       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1023       if (BI->isUnconditional()) {
1024         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1025         // together.
1026         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1027         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1028         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1029         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1030         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1031
1032         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1033               << Succ->getName() << "\n");
1034         
1035         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1036         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1037           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1038         
1039         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1040         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1041                                    Succ->end());
1042         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1043         BI->eraseFromParent();
1044         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1045         
1046         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1047         // entries coming from Pred instead of Succ.
1048         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1049         
1050         // Remove Succ from the loop tree.
1051         LI->removeBlock(Succ);
1052         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1053         Succ->eraseFromParent();
1054         ++NumSimplify;
1055       } else if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1056         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1057         // remove dead blocks.
1058         break;  // FIXME: Enable.
1059
1060         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1061         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1062         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1063         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1064         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1065         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1066         BI->eraseFromParent();
1067         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1068         ++NumSimplify;
1069
1070         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1071       }
1072       break;
1073     }
1074     }
1075   }
1076 }