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