For PR1043:
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
11 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
12 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
13 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
14 // should be run to clean up the mess.
15 //
16 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
17 // more aggressive.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #define DEBUG_TYPE "tailduplicate"
22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/Constant.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/Instructions.h"
26 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/Pass.h"
28 #include "llvm/Type.h"
29 #include "llvm/Support/CFG.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
32 #include "llvm/Support/Debug.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 using namespace llvm;
35
36 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
37
38 namespace {
39   cl::opt<unsigned>
40   Threshold("taildup-threshold", cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
41             cl::init(6), cl::Hidden);
42   class TailDup : public FunctionPass {
43     bool runOnFunction(Function &F);
44   private:
45     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
46     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
47   };
48   RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
49 }
50
51 // Public interface to the Tail Duplication pass
52 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
53
54 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
55 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
56 ///
57 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
58   bool Changed = false;
59   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
60     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
61       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
62       Changed = true;
63     } else {
64       ++I;
65     }
66   return Changed;
67 }
68
69 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
70 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
71 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
72 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
73 /// up to 4 instructions to the new block.
74 ///
75 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
76 /// contents of the block are copied over.
77 ///
78 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
79   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
80   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
81
82   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
83   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
84
85   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
86   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
87   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
88     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
89       return false;                                 // Do not loop infinitely!
90
91   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
92   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
93   // fixed eventually.
94   if (!DTI->use_empty())
95     return false;
96
97   // Do not bother working on dead blocks...
98   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
99   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
100     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
101
102   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
103   // CFG will fold these two blocks together!
104   ++PI;
105   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
106
107   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
108   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
109
110   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
111     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
112     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
113     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
114   }
115
116   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
117   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
118   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
119   // cases that have a large number of indirect gotos.
120   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
121   if (NumSuccs > 8) {
122     unsigned TooMany = 128;
123     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
124     TooMany = TooMany/NumSuccs;
125     for (; PI != PE; ++PI)
126       if (TooMany-- == 0) return false;
127   }
128   
129   // Finally, if this unconditional branch is a fall-through, be careful about
130   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
131   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
132   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
133   Function::iterator DestI = Dest;
134   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
135     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
136     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
137     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
138     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
139     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
140     // if (a)
141     //   foo();
142     // if (b)
143     //   foo();
144     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
145     
146     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
147     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
148     DestI = Dest;
149     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
150       BasicBlock *DestSucc = DestI;
151       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
152       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
153            SI != SE; ++SI)
154         if (*SI == DestSucc)
155           return false;
156     }
157   }
158
159   return true;
160 }
161
162 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
163 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
164 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
165 /// DstBlock, return it.
166 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
167                                           BasicBlock *DstBlock) {
168   // SrcBlock must have a single predecessor.
169   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
170   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
171
172   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
173
174   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
175   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
176   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
177   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
178   if (*PI == SrcBlock) {
179     if (++PI == PE) return 0;
180     DstOtherPred = *PI;
181     if (++PI != PE) return 0;
182   } else {
183     DstOtherPred = *PI;
184     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
185   }
186
187   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
188   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
189   if (DstOtherPred == SrcPred)
190     return SrcPred;
191
192   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
193   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
194   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
195   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
196     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
197     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
198   }
199
200   // Otherwise, this is something we can't handle.
201   return 0;
202 }
203
204
205 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
206 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
207 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
208 /// block, we may need to insert PHI nodes.
209 ///
210 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
211   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
212   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
213   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
214
215   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
216        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
217
218   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
219   // blocks.
220   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
221     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
222
223     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
224     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
225     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
226     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->begin();
227     while (isa<PHINode>(BBI)) ++BBI;
228     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
229       Instruction *I = BBI++;
230
231       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayWriteToMemory();
232       if (CanHoist) {
233         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
234           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
235             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
236                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
237               CanHoist = false;
238               break;
239             }
240         if (CanHoist) {
241           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
242           DestBlock->getInstList().remove(I);
243           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
244           DOUT << "Hoisted: " << *I;
245         }
246       }
247     }
248   }
249
250   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
251   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
252   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
253   // stack.
254   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
255     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
256          ++UI) {
257       bool ShouldDemote = false;
258       if (cast<Instruction>(*UI)->getParent() != DestBlock) {
259         // We must allow our successors to use tail values in their PHI nodes
260         // (if the incoming value corresponds to the tail block).
261         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(*UI)) {
262           for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
263             if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
264                 PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
265               ShouldDemote = true;
266               break;
267             }
268
269         } else {
270           ShouldDemote = true;
271         }
272       } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(cast<Instruction>(*UI))) {
273         // If the user of this instruction is a PHI node in the current block,
274         // which has an entry from another block using the value, spill it.
275         for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
276           if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
277               PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
278             ShouldDemote = true;
279             break;
280           }
281       }
282
283       if (ShouldDemote) {
284         // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
285         // break this inter-block usage pattern.
286         DemoteRegToStack(*I);
287         break;
288       }
289     }
290
291   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
292   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
293   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
294   // them to our mapping.
295   //
296   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
297
298   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
299   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
300   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
301     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
302
303   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
304   // keeping track of the mapping...
305   //
306   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
307     Instruction *New = BI->clone();
308     New->setName(BI->getName());
309     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
310     ValueMapping[BI] = New;
311   }
312
313   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
314   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
315   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
316   // instructions.
317   //
318   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
319   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
320     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
321       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
322         BI->setOperand(i, Remapped);
323
324   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
325   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
326   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
327        SI != SE; ++SI) {
328     BasicBlock *Succ = *SI;
329     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
330       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
331       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
332       // DestBlock.
333       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
334
335       // Remap the value if necessary...
336       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
337         IV = MappedIV;
338       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
339     }
340   }
341
342   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
343   // had.
344   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
345   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
346   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
347
348   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
349   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
350   // they may not be needed anymore.
351   //
352   if (HadPHINodes)
353     while (BI != SourceBlock->end())
354       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
355         ++BI;
356
357   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
358 }