Add a verifyAnalysis to LoopInfo, LoopSimplify, and LCSSA form that verify
[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/LLVMContext.h"
36 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.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 static cl::opt<unsigned>
60 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
61           cl::init(10), cl::Hidden);
62   
63 namespace {
64   class LoopUnswitch : public LoopPass {
65     LoopInfo *LI;  // Loop information
66     LPPassManager *LPM;
67
68     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
69     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
70     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
71     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
72     
73     bool OptimizeForSize;
74     bool redoLoop;
75
76     Loop *currentLoop;
77     DominanceFrontier *DF;
78     DominatorTree *DT;
79     BasicBlock *loopHeader;
80     BasicBlock *loopPreheader;
81     
82     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
83     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
84     // loop, in that order.
85     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
86     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
87     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
88
89   public:
90     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
91     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
92       LoopPass(&ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
93       currentLoop(NULL), DF(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
94       loopPreheader(NULL) {}
95
96     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
97     bool processCurrentLoop();
98
99     /// This transformation requires natural loop information & requires that
100     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
101     ///
102     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
103       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
104       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
105       AU.addRequired<LoopInfo>();
106       AU.addPreserved<LoopInfo>();
107       AU.addRequiredID(LCSSAID);
108       AU.addPreservedID(LCSSAID);
109       AU.addPreserved<DominatorTree>();
110       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
111     }
112
113   private:
114
115     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
116     /// remove it.
117     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
118       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
119                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
120       if (I != LoopProcessWorklist.end())
121         LoopProcessWorklist.erase(I);
122     }
123
124     void initLoopData() {
125       loopHeader = currentLoop->getHeader();
126       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
127     }
128
129     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
130     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
131     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
132
133     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
134     unsigned getLoopUnswitchCost(Value *LIC);
135     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
136                                   BasicBlock *ExitBlock);
137     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
138
139     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
140                                               Constant *Val, bool isEqual);
141
142     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
143                                         BasicBlock *TrueDest, 
144                                         BasicBlock *FalseDest,
145                                         Instruction *InsertPt);
146
147     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
148     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
149                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
150     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
151     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
152                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
153
154   };
155 }
156 char LoopUnswitch::ID = 0;
157 static RegisterPass<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
158
159 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
160   return new LoopUnswitch(Os); 
161 }
162
163 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
164 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
165 /// Otherwise, return null.
166 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
167   // Constants should be folded, not unswitched on!
168   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
169
170   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
171
172   // Hoist simple values out.
173   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
174     return Cond;
175
176   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
177     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
178         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
179       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
180       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
181       // simplify in the other one.
182       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
183         return LHS;
184       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
185         return RHS;
186     }
187   
188   return 0;
189 }
190
191 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
192   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
193   LPM = &LPM_Ref;
194   DF = getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>();
195   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
196   currentLoop = L;
197   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
198   bool Changed = false;
199   do {
200     assert(currentLoop->isLCSSAForm());
201     redoLoop = false;
202     Changed |= processCurrentLoop();
203   } while(redoLoop);
204
205   if (Changed) {
206     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
207     if (DT)
208       DT->runOnFunction(*F);
209     if (DF)
210       DF->runOnFunction(*F);
211   }
212   return Changed;
213 }
214
215 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
216 /// and profitable.
217 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
218   bool Changed = false;
219   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
220
221   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
222   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
223   // loop.
224   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
225          E = currentLoop->block_end();
226        I != E; ++I) {
227     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
228     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
229       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
230       // it.
231       if (BI->isConditional()) {
232         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
233         // unswitch on it if we desire.
234         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
235                                                currentLoop, Changed);
236         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
237                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
238           ++NumBranches;
239           return true;
240         }
241       }      
242     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
243       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
244                                              currentLoop, Changed);
245       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
246         // Find a value to unswitch on:
247         // FIXME: this should chose the most expensive case!
248         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
249         // Do not process same value again and again.
250         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
251           continue;
252
253         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
254           ++NumSwitches;
255           return true;
256         }
257       }
258     }
259     
260     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
261     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
262          BBI != E; ++BBI)
263       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
264         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
265                                                currentLoop, Changed);
266         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
267                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
268           ++NumSelects;
269           return true;
270         }
271       }
272   }
273   return Changed;
274 }
275
276 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
277 ///   1. Exit the loop with no side effects.
278 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
279 ///
280 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
281 /// exit through.
282 ///
283 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
284                                          BasicBlock *&ExitBB,
285                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
286   if (!Visited.insert(BB).second) {
287     // Already visited and Ok, end of recursion.
288     return true;
289   } else if (!L->contains(BB)) {
290     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
291     // first exit.
292     if (ExitBB != 0) return false;
293     ExitBB = BB;
294     return true;
295   }
296   
297   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
298   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
299     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
300     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
301       return false;
302   }
303
304   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
305   // doesn't include any side effects.
306   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
307     if (I->mayHaveSideEffects())
308       return false;
309   
310   return true;
311 }
312
313 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
314 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
315 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
316 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
317   std::set<BasicBlock*> Visited;
318   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
319   BasicBlock *ExitBB = 0;
320   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
321     return ExitBB;
322   return 0;
323 }
324
325 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
326 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
327 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
328 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
329 /// loop, which gets deleted).
330 ///
331 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
332 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
333 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
334 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
335 /// Cond == Val.
336 ///
337 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
338                                        BasicBlock **LoopExit) {
339   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
340   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
341   LLVMContext &Context = Header->getContext();
342   
343   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
344   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
345     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
346     // can't handle it.
347     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
348       return false;
349   
350     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
351     // latch block or exit through a one exit block without having any 
352     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
353     // this.
354     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
355                                              BI->getSuccessor(0)))) {
356       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
357     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
358                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
359       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
360     }
361   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
362     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
363     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
364     
365     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
366     // latch block or exit through a one exit block without having any 
367     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
368     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
369     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
370       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
371                                                SI->getSuccessor(i)))) {
372         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
373         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
374         break;
375       }
376   }
377
378   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
379   // contains phi nodes, this isn't trivial.
380   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
381     return false;   // Can't handle this.
382   
383   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
384   
385   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
386   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
387   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
388   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
389   // tail, check the header now.
390   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
391     if (I->mayHaveSideEffects())
392       return false;
393   return true;
394 }
395
396 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
397 /// we choose to unswitch current loop on the specified value.
398 ///
399 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Value *LIC) {
400   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
401   // this case.
402   if (IsTrivialUnswitchCondition(LIC))
403     return 0;
404   
405   // FIXME: This is really overly conservative.  However, more liberal 
406   // estimations have thus far resulted in excessive unswitching, which is bad
407   // both in compile time and in code size.  This should be replaced once
408   // someone figures out how a good estimation.
409   return currentLoop->getBlocks().size();
410   
411   unsigned Cost = 0;
412   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
413   // shrinkage.
414   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
415          E = currentLoop->block_end();
416        I != E; ++I) {
417     BasicBlock *BB = *I;
418     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
419     // loop canonicalization and will be removed.
420     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
421       continue;
422     
423     // Count basic blocks.
424     ++Cost;
425   }
426
427   return Cost;
428 }
429
430 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
431 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
432 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
433 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val){
434
435   initLoopData();
436   Function *F = loopHeader->getParent();
437
438
439   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
440   unsigned Cost = getLoopUnswitchCost(LoopCond);
441
442   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
443   if (Cost && OptimizeForSize)
444     return false;
445   if (Cost && !F->isDeclaration() && F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
446     return false;
447
448   if (Cost > Threshold) {
449     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
450     // resultant unswitched loops.
451     //
452     DEBUG(errs() << "NOT unswitching loop %"
453           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
454           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
455     return false;
456   }
457
458   Constant *CondVal;
459   BasicBlock *ExitBlock;
460   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
461     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
462   } else {
463     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
464   }
465
466   return true;
467 }
468
469 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
470 // current values into those specified by ValueMap.
471 //
472 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
473                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
474   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
475     Value *Op = I->getOperand(op);
476     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
477     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
478     I->setOperand(op, Op);
479   }
480 }
481
482 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
483 /// mapping the blocks with the specified map.
484 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, DenseMap<const Value*, Value*> &VM,
485                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
486   Loop *New = new Loop();
487
488   LPM->insertLoop(New, PL);
489
490   // Add all of the blocks in L to the new loop.
491   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
492        I != E; ++I)
493     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
494       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
495
496   // Add all of the subloops to the new loop.
497   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
498     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
499
500   return New;
501 }
502
503 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
504 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
505 /// code immediately before InsertPt.
506 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
507                                                   BasicBlock *TrueDest,
508                                                   BasicBlock *FalseDest,
509                                                   Instruction *InsertPt) {
510   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
511   // code is the true version and the new code is the false version.
512   Value *BranchVal = LIC;
513   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
514       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
515     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
516   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
517     // We want to enter the new loop when the condition is true.
518     std::swap(TrueDest, FalseDest);
519
520   // Insert the new branch.
521   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
522
523   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
524   // form for enclosing loops.
525   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
526   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
527 }
528
529 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
530 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
531 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
532 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
533 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
534 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
535                                             Constant *Val, 
536                                             BasicBlock *ExitBlock) {
537   DEBUG(errs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
538         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
539         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
540         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
541   
542   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
543   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
544   // conditional branch on Cond.
545   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
546
547   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
548   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
549   // short-circuit to.
550   
551   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
552   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
553   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
554   // loop header, not the preheader).
555   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
556   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
557     
558   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
559   // insert the new conditional branch.
560   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
561                                  loopPreheader->getTerminator());
562   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
563   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
564
565   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
566   redoLoop = true;
567   
568   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
569   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
570   // at least eliminate the old branch.
571   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
572   ++NumTrivial;
573 }
574
575 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
576 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
577 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
578                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks) 
579 {
580
581   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
582     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
583     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
584                                        pred_end(ExitBlock));
585     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
586                            ".us-lcssa", this);
587   }
588 }
589
590 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
591 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
592 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
593 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
594                                                Loop *L) {
595   Function *F = loopHeader->getParent();
596   DEBUG(errs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
597         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
598         << " blocks] in Function " << F->getName()
599         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
600
601   LoopBlocks.clear();
602   NewBlocks.clear();
603
604   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
605   // the LoopBlocks list.
606   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
607   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
608
609   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
610   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
611
612   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
613   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
614
615   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
616   // the appropriate Phi nodes as we do so.
617   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
618
619   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
620   ExitBlocks.clear();
621   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
622
623   // Add exit blocks to the loop blocks.
624   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
625
626   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
627   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
628   // the instructions and blocks.
629   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
630   DenseMap<const Value*, Value*> ValueMap;
631   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
632     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
633     NewBlocks.push_back(New);
634     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
635     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], New, L);
636   }
637
638   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
639   // original preheader.
640   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
641                                 NewBlocks[0], F->end());
642
643   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
644   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI, LPM);
645   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
646   if (ParentLoop) {
647     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
648     // as well.
649     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
650   }
651   
652   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
653     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
654     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
655     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
656       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
657     
658     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
659            "Exit block should have been split to have one successor!");
660     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
661
662     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
663     // NewExit.
664     PHINode *PN;
665     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
666          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
667       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
668       DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
669       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
670       PN->addIncoming(V, NewExit);
671     }
672   }
673
674   // Rewrite the code to refer to itself.
675   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
676     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
677            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
678       RemapInstruction(I, ValueMap);
679   
680   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
681   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
682   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
683          "Preheader splitting did not work correctly!");
684
685   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
686   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
687   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
688   OldBR->eraseFromParent();
689
690   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
691   redoLoop = true;
692
693   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
694   // new code to know that the condition is false.
695   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L      , LIC, Val, false);
696   
697   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
698   // deleted.  If so, don't simplify it.
699   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
700     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
701
702 }
703
704 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
705 /// specified.
706 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
707                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
708   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
709                                                      Worklist.end(), I);
710   while (WI != Worklist.end()) {
711     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
712     Worklist.erase(WI);
713     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
714   }
715 }
716
717 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
718 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
719 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
720                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
721                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
722   DEBUG(errs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
723
724   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
725   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
726     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
727       Worklist.push_back(Use);
728
729   // Add users to the worklist which may be simplified now.
730   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
731        UI != E; ++UI)
732     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
733   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
734   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
735   I->replaceAllUsesWith(V);
736   I->eraseFromParent();
737   ++NumSimplify;
738 }
739
740 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
741 /// information, and remove any dead successors it has.
742 ///
743 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
744                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
745                                      Loop *L) {
746   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
747     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
748     // are any easy simplifications we can do now.
749     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
750       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
751       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
752         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
753                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
754                           Worklist, L, LPM);
755       
756       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
757       // have an unreachable loop.
758       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
759         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
760           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
761           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
762           // dominates the latch).
763           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
764           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
765           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
766           
767           // The loop is now broken, remove it from LI.
768           RemoveLoopFromHierarchy(L);
769           
770           // Reprocess the header, which now IS dead.
771           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
772           return;
773         }
774       
775       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
776       // the two blocks will get merged.
777       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
778         if (BI->isUnconditional())
779           Worklist.push_back(BI);
780     }
781     return;
782   }
783
784   DEBUG(errs() << "Nuking dead block: " << *BB);
785   
786   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
787   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
788     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
789     
790     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
791     // uses replaced with undefs.
792     if (!I->use_empty())
793       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
794   }
795   
796   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
797   // promote all subloops.
798   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
799     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
800       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
801   }
802
803   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
804   // was in.
805   LI->removeBlock(BB);
806   
807   
808   // Remove phi node entries in successors for this block.
809   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
810   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
811   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
812     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
813     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
814   }
815   
816   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
817   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
818   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
819   
820   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
821   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
822   BB->eraseFromParent();
823   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
824   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
825   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
826   //
827   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
828     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
829       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
830       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
831       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
832       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
833       // above and headers can only have two predecessors.
834       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
835         Succs.erase(Succs.begin()+i);
836         --i;
837       }
838     }
839   
840   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
841     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
842 }
843
844 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
845 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
846 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
847 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
848 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
849 /// removed later.
850 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
851   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
852   RemoveLoopFromWorklist(L);
853 }
854
855 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
856 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
857 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
858 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
859                                                         Constant *Val,
860                                                         bool IsEqual) {
861   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
862   
863   // FIXME: Support correlated properties, like:
864   //  for (...)
865   //    if (li1 < li2)
866   //      ...
867   //    if (li1 > li2)
868   //      ...
869   
870   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
871   // selects, switches.
872   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
873   std::vector<Instruction*> Worklist;
874   LLVMContext &Context = Val->getContext();
875
876
877   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
878   // in the loop with the appropriate one directly.
879   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
880       Val->getType() == Type::getInt1Ty(Val->getContext()))) {
881     Value *Replacement;
882     if (IsEqual)
883       Replacement = Val;
884     else
885       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
886                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
887     
888     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
889       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
890         if (!L->contains(U->getParent()))
891           continue;
892         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
893         Worklist.push_back(U);
894       }
895   } else {
896     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
897     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
898     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
899     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
900       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
901         if (!L->contains(U->getParent()))
902           continue;
903
904         Worklist.push_back(U);
905
906         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
907         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
908           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
909             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
910               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
911               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
912               // be in the Users list.
913               
914               // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
915               // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
916               // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
917               // loop structure and put the block on a dead code path.
918               BasicBlock *Switch = SI->getParent();
919               SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(i), this);
920               // Compute the successors instead of relying on the return value
921               // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
922               // after PHI nodes.
923               BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(i);
924               BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
925               // Create an "unreachable" destination.
926               BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
927                                                      Switch->getParent(),
928                                                      OldSISucc);
929               new UnreachableInst(Context, Abort);
930               // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
931               // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
932               NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
933               BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
934                                  ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
935               // Release the PHI operands for this edge.
936               for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
937                    PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
938                 PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
939                                      UndefValue::get(PN->getType()));
940               break;
941             }
942           }
943         }
944         
945         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
946         // LIC == Val -> false.
947       }
948   }
949   
950   SimplifyCode(Worklist, L);
951 }
952
953 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
954 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
955 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
956 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
957 /// it must not be used.
958 ///
959 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
960 /// pass.
961 ///
962 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
963   while (!Worklist.empty()) {
964     Instruction *I = Worklist.back();
965     Worklist.pop_back();
966     
967     // Simple constant folding.
968     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I, I->getContext())) {
969       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
970       continue;
971     }
972     
973     // Simple DCE.
974     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
975       DEBUG(errs() << "Remove dead instruction '" << *I);
976       
977       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
978       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
979         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
980           Worklist.push_back(Use);
981       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
982       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
983       I->eraseFromParent();
984       ++NumSimplify;
985       continue;
986     }
987     
988     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
989     switch (I->getOpcode()) {
990     case Instruction::Select:
991       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(0))) {
992         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getZExtValue()+1), Worklist, L,
993                           LPM);
994         continue;
995       }
996       break;
997     case Instruction::And:
998       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) && 
999           // constant -> RHS
1000           I->getOperand(0)->getType() == Type::getInt1Ty(I->getContext()))   
1001         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1002       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) 
1003         if (CB->getType() == Type::getInt1Ty(I->getContext())) {
1004           if (CB->isOne())      // X & 1 -> X
1005             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1006           else                  // X & 0 -> 0
1007             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1008           continue;
1009         }
1010       break;
1011     case Instruction::Or:
1012       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) &&
1013           // constant -> RHS
1014           I->getOperand(0)->getType() == Type::getInt1Ty(I->getContext()))
1015         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1016       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1017         if (CB->getType() == Type::getInt1Ty(I->getContext())) {
1018           if (CB->isOne())   // X | 1 -> 1
1019             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1020           else                  // X | 0 -> X
1021             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1022           continue;
1023         }
1024       break;
1025     case Instruction::Br: {
1026       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1027       if (BI->isUnconditional()) {
1028         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1029         // together.
1030         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1031         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1032         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1033         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1034         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1035
1036         DEBUG(errs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1037               << Succ->getName() << "\n");
1038         
1039         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1040         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1041           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1042         
1043         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1044         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1045                                    Succ->end());
1046         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1047         BI->eraseFromParent();
1048         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1049         
1050         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1051         // entries coming from Pred instead of Succ.
1052         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1053         
1054         // Remove Succ from the loop tree.
1055         LI->removeBlock(Succ);
1056         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1057         Succ->eraseFromParent();
1058         ++NumSimplify;
1059       } else if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1060         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1061         // remove dead blocks.
1062         break;  // FIXME: Enable.
1063
1064         DEBUG(errs() << "Folded branch: " << *BI);
1065         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1066         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1067         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1068         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1069         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1070         BI->eraseFromParent();
1071         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1072         ++NumSimplify;
1073
1074         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1075       }
1076       break;
1077     }
1078     }
1079   }
1080 }