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