Revert r49614. As Dan pointed out, some of these aren't correct.
[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 is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // 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/Compiler.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include <map>
36 using namespace llvm;
37
38 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
39
40 namespace {
41   cl::opt<unsigned>
42   Threshold("taildup-threshold", cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
43             cl::init(6), cl::Hidden);
44   class VISIBILITY_HIDDEN TailDup : public FunctionPass {
45     bool runOnFunction(Function &F);
46   public:
47     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
48     TailDup() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
49
50   private:
51     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
52     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
53   };
54   char TailDup::ID = 0;
55   RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
56 }
57
58 // Public interface to the Tail Duplication pass
59 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
60
61 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
62 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
63 ///
64 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
65   bool Changed = false;
66   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
67     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
68       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
69       Changed = true;
70     } else {
71       ++I;
72     }
73   return Changed;
74 }
75
76 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
77 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
78 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
79 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
80 /// up to 4 instructions to the new block.
81 ///
82 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
83 /// contents of the block are copied over.
84 ///
85 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
86   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
87   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
88
89   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
90   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
91
92   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
93   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
94   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
95     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
96       return false;                                 // Do not loop infinitely!
97
98   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
99   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
100   // fixed eventually.
101   if (!DTI->use_empty())
102     return false;
103
104   // Do not bother working on dead blocks...
105   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
106   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
107     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
108
109   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
110   // CFG will fold these two blocks together!
111   ++PI;
112   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
113
114   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
115   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
116
117   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
118     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
119     
120     // Don't tail duplicate call instructions.  They are very large compared to
121     // other instructions.
122     if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) return false;
123     
124     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
125     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
126   }
127
128   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
129   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
130   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
131   // cases that have a large number of indirect gotos.
132   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
133   if (NumSuccs > 8) {
134     unsigned TooMany = 128;
135     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
136     TooMany = TooMany/NumSuccs;
137     for (; PI != PE; ++PI)
138       if (TooMany-- == 0) return false;
139   }
140   
141   // Finally, if this unconditional branch is a fall-through, be careful about
142   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
143   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
144   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
145   Function::iterator DestI = Dest;
146   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
147     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
148     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
149     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
150     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
151     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
152     // if (a)
153     //   foo();
154     // if (b)
155     //   foo();
156     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
157     
158     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
159     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
160     DestI = Dest;
161     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
162       BasicBlock *DestSucc = DestI;
163       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
164       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
165            SI != SE; ++SI)
166         if (*SI == DestSucc)
167           return false;
168     }
169   }
170
171   return true;
172 }
173
174 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
175 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
176 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
177 /// DstBlock, return it.
178 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
179                                           BasicBlock *DstBlock) {
180   // SrcBlock must have a single predecessor.
181   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
182   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
183
184   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
185
186   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
187   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
188   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
189   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
190   if (*PI == SrcBlock) {
191     if (++PI == PE) return 0;
192     DstOtherPred = *PI;
193     if (++PI != PE) return 0;
194   } else {
195     DstOtherPred = *PI;
196     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
197   }
198
199   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
200   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
201   if (DstOtherPred == SrcPred)
202     return SrcPred;
203
204   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
205   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
206   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
207   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
208     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
209     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
210   }
211
212   // Otherwise, this is something we can't handle.
213   return 0;
214 }
215
216
217 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
218 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
219 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
220 /// block, we may need to insert PHI nodes.
221 ///
222 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
223   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
224   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
225   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
226
227   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
228        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
229
230   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
231   // blocks.
232   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
233     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
234
235     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
236     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
237     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
238     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->begin();
239     while (isa<PHINode>(BBI)) ++BBI;
240     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
241       Instruction *I = BBI++;
242
243       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayWriteToMemory();
244       if (CanHoist) {
245         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
246           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
247             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
248                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
249               CanHoist = false;
250               break;
251             }
252         if (CanHoist) {
253           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
254           DestBlock->getInstList().remove(I);
255           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
256           DOUT << "Hoisted: " << *I;
257         }
258       }
259     }
260   }
261
262   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
263   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
264   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
265   // stack.
266   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
267     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
268          ++UI) {
269       bool ShouldDemote = false;
270       if (cast<Instruction>(*UI)->getParent() != DestBlock) {
271         // We must allow our successors to use tail values in their PHI nodes
272         // (if the incoming value corresponds to the tail block).
273         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(*UI)) {
274           for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
275             if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
276                 PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
277               ShouldDemote = true;
278               break;
279             }
280
281         } else {
282           ShouldDemote = true;
283         }
284       } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(cast<Instruction>(*UI))) {
285         // If the user of this instruction is a PHI node in the current block,
286         // which has an entry from another block using the value, spill it.
287         for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
288           if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
289               PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
290             ShouldDemote = true;
291             break;
292           }
293       }
294
295       if (ShouldDemote) {
296         // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
297         // break this inter-block usage pattern.
298         DemoteRegToStack(*I);
299         break;
300       }
301     }
302
303   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
304   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
305   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
306   // them to our mapping.
307   //
308   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
309
310   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
311   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
312   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
313     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
314
315   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
316   // keeping track of the mapping...
317   //
318   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
319     Instruction *New = BI->clone();
320     New->setName(BI->getName());
321     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
322     ValueMapping[BI] = New;
323   }
324
325   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
326   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
327   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
328   // instructions.
329   //
330   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
331   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
332     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
333       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
334         BI->setOperand(i, Remapped);
335
336   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
337   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
338   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
339        SI != SE; ++SI) {
340     BasicBlock *Succ = *SI;
341     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
342       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
343       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
344       // DestBlock.
345       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
346
347       // Remap the value if necessary...
348       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
349         IV = MappedIV;
350       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
351     }
352   }
353
354   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
355   // had.
356   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
357   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
358   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
359
360   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
361   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
362   // they may not be needed anymore.
363   //
364   if (HadPHINodes)
365     while (BI != SourceBlock->end())
366       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
367         ++BI;
368
369   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
370 }