Fix bug: TailDup/2003-08-23-InvalidatedPointers.ll
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
2 //
3 // This pass performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
4 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
5 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
6 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
7 // should be run to clean up the mess.
8 //
9 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
10 // more aggressive.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
15 #include "llvm/Function.h"
16 #include "llvm/iPHINode.h"
17 #include "llvm/iTerminators.h"
18 #include "llvm/Pass.h"
19 #include "llvm/Type.h"
20 #include "llvm/Support/CFG.h"
21 #include "llvm/Support/ValueHolder.h"
22 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
23 #include "Support/Debug.h"
24 #include "Support/Statistic.h"
25
26 namespace {
27   Statistic<> NumEliminated("tailduplicate",
28                             "Number of unconditional branches eliminated");
29   Statistic<> NumPHINodes("tailduplicate", "Number of phi nodes inserted");
30
31   class TailDup : public FunctionPass {
32     bool runOnFunction(Function &F);
33   private:
34     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
35     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
36     inline void InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
37                                           BasicBlock *NewBlock);
38     inline Value *GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
39                                   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
40                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
41     inline Value *GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
42                                    std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
43                                std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
44   };
45   RegisterOpt<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
46 }
47
48 Pass *createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
49
50 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
51 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
52 ///
53 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
54   bool Changed = false;
55   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
56     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
57       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
58       Changed = true;
59     } else {
60       ++I;
61     }
62   return Changed;
63 }
64
65 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
66 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
67 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
68 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
69 /// up to 4 instructions to the new block.
70 ///
71 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
72 /// contents of the block are copied over.
73 ///
74 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
75   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
76   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
77
78   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
79   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
80
81   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
82   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(Dest->getTerminator()))
83     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
84       return false;                                 // Do not loop infinitely!
85
86   // Do not bother working on dead blocks...
87   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
88   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
89     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
90
91   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
92   // CFG will fold these two blocks together!
93   ++PI;
94   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
95
96   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
97   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
98
99   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++Size, ++I)
100     if (Size == 6) return false;  // The block is too large...
101   return true;  
102 }
103
104
105 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
106 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
107 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
108 /// block, we may need to insert PHI nodes.
109 ///
110 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
111   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
112   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
113   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
114
115   DEBUG(std::cerr << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
116                   << "]: Eliminating branch: " << *Branch);
117
118   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
119   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
120   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
121   // them to our mapping.
122   //
123   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
124
125   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
126   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
127   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
128     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
129
130   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
131   // keeping track of the mapping...
132   //
133   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
134     Instruction *New = BI->clone();
135     New->setName(BI->getName());
136     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
137     ValueMapping[BI] = New;
138   }
139
140   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
141   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
142   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
143   // instructions.
144   //
145   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
146   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
147     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
148       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
149         BI->setOperand(i, Remapped);
150
151   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
152   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
153   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
154        SI != SE; ++SI) {
155     BasicBlock *Succ = *SI;
156     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin();
157          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(PNI); ++PNI) {
158       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
159       // DestBlock.
160       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
161       
162       // Remap the value if necessary...
163       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
164         IV = MappedIV;
165       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
166     }
167   }
168   
169   // Now that all of the instructions are correctly copied into the SourceBlock,
170   // we have one more minor problem: the successors of the original DestBB may
171   // use the values computed in DestBB either directly (if DestBB dominated the
172   // block), or through a PHI node.  In either case, we need to insert PHI nodes
173   // into any successors of DestBB (which are now our successors) for each value
174   // that is computed in DestBB, but is used outside of it.  All of these uses
175   // we have to rewrite with the new PHI node.
176   //
177   if (succ_begin(SourceBlock) != succ_end(SourceBlock)) // Avoid wasting time...
178     for (BI = DestBlock->begin(); BI != DestBlock->end(); ++BI)
179       if (BI->getType() != Type::VoidTy)
180         InsertPHINodesIfNecessary(BI, ValueMapping[BI], SourceBlock);
181
182   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
183   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
184   // they may not be needed anymore.
185   //
186   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
187   if (HadPHINodes)
188     while (BI != SourceBlock->end())
189       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
190         ++BI;
191
192   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
193   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
194   
195   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
196 }
197
198 /// InsertPHINodesIfNecessary - So at this point, we cloned the OrigInst
199 /// instruction into the NewBlock with the value of NewInst.  If OrigInst was
200 /// used outside of its defining basic block, we need to insert a PHI nodes into
201 /// the successors.
202 ///
203 void TailDup::InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
204                                         BasicBlock *NewBlock) {
205   // Loop over all of the uses of OrigInst, rewriting them to be newly inserted
206   // PHI nodes, unless they are in the same basic block as OrigInst.
207   BasicBlock *OrigBlock = OrigInst->getParent();
208   std::vector<Instruction*> Users;
209   Users.reserve(OrigInst->use_size());
210   for (Value::use_iterator I = OrigInst->use_begin(), E = OrigInst->use_end();
211        I != E; ++I) {
212     Instruction *In = cast<Instruction>(*I);
213     if (In->getParent() != OrigBlock ||  // Don't modify uses in the orig block!
214         isa<PHINode>(In))
215       Users.push_back(In);
216   }
217
218   // The common case is that the instruction is only used within the block that
219   // defines it.  If we have this case, quick exit.
220   //
221   if (Users.empty()) return; 
222
223   // Otherwise, we have a more complex case, handle it now.  This requires the
224   // construction of a mapping between a basic block and the value to use when
225   // in the scope of that basic block.  This map will map to the original and
226   // new values when in the original or new block, but will map to inserted PHI
227   // nodes when in other blocks.
228   //
229   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> ValueMap;
230   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> OutValueMap;   // The outgoing value map
231   OutValueMap[OrigBlock] = OrigInst;
232   OutValueMap[NewBlock ] = NewInst;    // Seed the initial values...
233
234   DEBUG(std::cerr << "  ** Inserting PHI nodes for " << OrigInst);
235   while (!Users.empty()) {
236     Instruction *User = Users.back(); Users.pop_back();
237
238     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
239       // PHI nodes must be handled specially here, because their operands are
240       // actually defined in predecessor basic blocks, NOT in the block that the
241       // PHI node lives in.  Note that we have already added entries to PHI nods
242       // which are in blocks that are immediate successors of OrigBlock, so
243       // don't modify them again.
244       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
245         if (PN->getIncomingValue(i) == OrigInst &&
246             PN->getIncomingBlock(i) != OrigBlock) {
247           Value *V = GetValueOutBlock(PN->getIncomingBlock(i), OrigInst,
248                                       ValueMap, OutValueMap);
249           PN->setIncomingValue(i, V);
250         }
251       
252     } else {
253       // Any other user of the instruction can just replace any uses with the
254       // new value defined in the block it resides in.
255       Value *V = GetValueInBlock(User->getParent(), OrigInst, ValueMap,
256                                  OutValueMap);
257       User->replaceUsesOfWith(OrigInst, V);
258     }
259   }
260 }
261
262 /// GetValueInBlock - This is a recursive method which inserts PHI nodes into
263 /// the function until there is a value available in basic block BB.
264 ///
265 Value *TailDup::GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
266                                 std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
267                                 std::map<BasicBlock*,ValueHolder> &OutValueMap){
268   ValueHolder &BBVal = ValueMap[BB];
269   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
270
271   assert(pred_begin(BB) != pred_end(BB) &&
272          "Propagating PHI nodes to unreachable blocks?");
273
274   // If there is no value already available in this basic block, we need to
275   // either reuse a value from an incoming, dominating, basic block, or we need
276   // to create a new PHI node to merge in different incoming values.  Because we
277   // don't know if we're part of a loop at this point or not, we create a PHI
278   // node, even if we will ultimately eliminate it.
279   PHINode *PN = new PHINode(OrigVal->getType(), OrigVal->getName()+".pn",
280                             BB->begin());
281   BBVal = PN;   // Insert this into the BBVal slot in case of cycles...
282
283   ValueHolder &BBOutVal = OutValueMap[BB];
284   if (BBOutVal == 0) BBOutVal = PN;
285
286   // Now that we have created the PHI node, loop over all of the predecessors of
287   // this block, computing an incoming value for the predecessor.
288   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
289   for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
290     PN->addIncoming(GetValueOutBlock(Preds[i], OrigVal, ValueMap, OutValueMap),
291                     Preds[i]);
292
293   // The PHI node is complete.  In many cases, however the PHI node was
294   // ultimately unnecessary: we could have just reused a dominating incoming
295   // value.  If this is the case, nuke the PHI node and replace the map entry
296   // with the dominating value.
297   //
298   assert(PN->getNumIncomingValues() > 0 && "No predecessors?");
299
300   // Check to see if all of the elements in the PHI node are either the PHI node
301   // itself or ONE particular value.
302   unsigned i = 0;
303   Value *ReplVal = PN->getIncomingValue(i);
304   for (; ReplVal == PN && i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
305     ReplVal = PN->getIncomingValue(i);  // Skip values equal to the PN
306
307   for (; i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
308     if (PN->getIncomingValue(i) != PN && PN->getIncomingValue(i) != ReplVal) {
309       ReplVal = 0;
310       break;
311     }
312
313   // Found a value to replace the PHI node with?
314   if (ReplVal && ReplVal != PN) {
315     PN->replaceAllUsesWith(ReplVal);
316     BB->getInstList().erase(PN);   // Erase the PHI node...
317   } else {
318     ++NumPHINodes;
319   }
320
321   return BBVal;
322 }
323
324 Value *TailDup::GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
325                                  std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
326                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap) {
327   ValueHolder &BBVal = OutValueMap[BB];
328   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
329
330   return GetValueInBlock(BB, OrigVal, ValueMap, OutValueMap);
331 }