Fix spelling.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopPreheaders.cpp - Loop Preheader Insertion Pass -----------------===//
2 //
3 // Insert Loop pre-headers and exit blocks into the CFG for each function in the
4 // module.  This pass updates loop information and dominator information.
5 //
6 // Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical
7 // entry edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a
8 // number of analyses and transformations, such as LICM.
9 //
10 // Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop
11 // (blocks which are outside of the loop that have predecessors inside of the
12 // loop) are dominated by the loop header.  This simplifies transformations such
13 // as store-sinking that are built into LICM.
14 //
15 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
16 // end up being unnecessary, so usage of this pass does not necessarily
17 // pessimize generated code.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
22 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
23 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/iTerminators.h"
26 #include "llvm/iPHINode.h"
27 #include "llvm/Constant.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "Support/SetOperations.h"
30 #include "Support/Statistic.h"
31 #include "Support/DepthFirstIterator.h"
32
33 namespace {
34   Statistic<> NumInserted("preheaders", "Number of pre-header nodes inserted");
35
36   struct Preheaders : public FunctionPass {
37     virtual bool runOnFunction(Function &F);
38     
39     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
40       // We need loop information to identify the loops...
41       AU.addRequired<LoopInfo>();
42       AU.addRequired<DominatorSet>();
43
44       AU.addPreserved<LoopInfo>();
45       AU.addPreserved<DominatorSet>();
46       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
47       AU.addPreserved<DominatorTree>();
48       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
49       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No crit edges added....
50     }
51   private:
52     bool ProcessLoop(Loop *L);
53     BasicBlock *SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB, const char *Suffix,
54                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds);
55     void RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit);
56     void InsertPreheaderForLoop(Loop *L);
57   };
58
59   RegisterOpt<Preheaders> X("preheaders", "Natural loop pre-header insertion");
60 }
61
62 // Publically exposed interface to pass...
63 const PassInfo *LoopPreheadersID = X.getPassInfo();
64 Pass *createLoopPreheaderInsertionPass() { return new Preheaders(); }
65
66
67 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
68 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
69 ///
70 bool Preheaders::runOnFunction(Function &F) {
71   bool Changed = false;
72   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
73
74   for (unsigned i = 0, e = LI.getTopLevelLoops().size(); i != e; ++i)
75     Changed |= ProcessLoop(LI.getTopLevelLoops()[i]);
76
77   return Changed;
78 }
79
80
81 /// ProcessLoop - Walk the loop structure in depth first order, ensuring that
82 /// all loops have preheaders.
83 ///
84 bool Preheaders::ProcessLoop(Loop *L) {
85   bool Changed = false;
86
87   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't modify the loop...
88   if (L->getLoopPreheader() == 0) {
89     InsertPreheaderForLoop(L);
90     NumInserted++;
91     Changed = true;
92   }
93
94   // Regardless of whether or not we added a preheader to the loop we must
95   // guarantee that the preheader dominates all exit nodes.  If there are any
96   // exit nodes not dominated, split them now.
97   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
98   BasicBlock *Header = L->getHeader();
99   for (unsigned i = 0, e = L->getExitBlocks().size(); i != e; ++i)
100     if (!DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i])) {
101       RewriteLoopExitBlock(L, L->getExitBlocks()[i]);
102       assert(DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i]) &&
103              "RewriteLoopExitBlock failed?");
104       NumInserted++;
105       Changed = true;
106     }
107
108   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
109   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
110     Changed |= ProcessLoop(SubLoops[i]);
111   return Changed;
112 }
113
114 /// SplitBlockPredecessors - Split the specified block into two blocks.  We want
115 /// to move the predecessors specified in the Preds list to point to the new
116 /// block, leaving the remaining predecessors pointing to BB.  This method
117 /// updates the SSA PHINode's, but no other analyses.
118 ///
119 BasicBlock *Preheaders::SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB,
120                                                const char *Suffix,
121                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds) {
122   
123   // Create new basic block, insert right before the original block...
124   BasicBlock *NewBB = new BasicBlock(BB->getName()+Suffix, BB);
125
126   // The preheader first gets an unconditional branch to the loop header...
127   BranchInst *BI = new BranchInst(BB);
128   NewBB->getInstList().push_back(BI);
129   
130   // For every PHI node in the block, insert a PHI node into NewBB where the
131   // incoming values from the out of loop edges are moved to NewBB.  We have two
132   // possible cases here.  If the loop is dead, we just insert dummy entries
133   // into the PHI nodes for the new edge.  If the loop is not dead, we move the
134   // incoming edges in BB into new PHI nodes in NewBB.
135   //
136   if (!Preds.empty()) {  // Is the loop not obviously dead?
137     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
138          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
139       
140       // Create the new PHI node, insert it into NewBB at the end of the block
141       PHINode *NewPHI = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".ph", BI);
142         
143       // Move all of the edges from blocks outside the loop to the new PHI
144       for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
145         Value *V = PN->removeIncomingValue(Preds[i]);
146         NewPHI->addIncoming(V, Preds[i]);
147       }
148       
149       // Add an incoming value to the PHI node in the loop for the preheader
150       // edge
151       PN->addIncoming(NewPHI, NewBB);
152     }
153     
154     // Now that the PHI nodes are updated, actually move the edges from
155     // Preds to point to NewBB instead of BB.
156     //
157     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
158       TerminatorInst *TI = Preds[i]->getTerminator();
159       for (unsigned s = 0, e = TI->getNumSuccessors(); s != e; ++s)
160         if (TI->getSuccessor(s) == BB)
161           TI->setSuccessor(s, NewBB);
162     }
163     
164   } else {                       // Otherwise the loop is dead...
165     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
166          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
167       // Insert dummy values as the incoming value...
168       PN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), NewBB);
169   }  
170   return NewBB;
171 }
172
173 // ChangeExitBlock - This recursive function is used to change any exit blocks
174 // that use OldExit to use NewExit instead.  This is recursive because children
175 // may need to be processed as well.
176 //
177 static void ChangeExitBlock(Loop *L, BasicBlock *OldExit, BasicBlock *NewExit) {
178   if (L->hasExitBlock(OldExit)) {
179     L->changeExitBlock(OldExit, NewExit);
180     const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
181     for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
182       ChangeExitBlock(SubLoops[i], OldExit, NewExit);
183   }
184 }
185
186
187 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
188 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
189 /// preheader insertion and analysis updating.
190 ///
191 void Preheaders::InsertPreheaderForLoop(Loop *L) {
192   BasicBlock *Header = L->getHeader();
193
194   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
195   std::vector<BasicBlock*> OutsideBlocks;
196   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
197        PI != PE; ++PI)
198       if (!L->contains(*PI))           // Coming in from outside the loop?
199         OutsideBlocks.push_back(*PI);  // Keep track of it...
200   
201   // Split out the loop pre-header
202   BasicBlock *NewBB =
203     SplitBlockPredecessors(Header, ".preheader", OutsideBlocks);
204   
205   //===--------------------------------------------------------------------===//
206   //  Update analysis results now that we have performed the transformation
207   //
208   
209   // We know that we have loop information to update... update it now.
210   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
211     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
212
213   // If the header for the loop used to be an exit node for another loop, then
214   // we need to update this to know that the loop-preheader is now the exit
215   // node.  Note that the only loop that could have our header as an exit node
216   // is a sibling loop, ie, one with the same parent loop, or one if it's
217   // children.
218   //
219   const std::vector<Loop*> *ParentSubLoops;
220   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
221     ParentSubLoops = &Parent->getSubLoops();
222   else       // Must check top-level loops...
223     ParentSubLoops = &getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
224
225   // Loop over all sibling loops, performing the substitution (recursively to
226   // include child loops)...
227   for (unsigned i = 0, e = ParentSubLoops->size(); i != e; ++i)
228     ChangeExitBlock((*ParentSubLoops)[i], Header, NewBB);
229   
230   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();  // Update dominator info
231   {
232     // The blocks that dominate NewBB are the blocks that dominate Header,
233     // minus Header, plus NewBB.
234     DominatorSet::DomSetType DomSet = DS.getDominators(Header);
235     DomSet.insert(NewBB);  // We dominate ourself
236     DomSet.erase(Header);  // Header does not dominate us...
237     DS.addBasicBlock(NewBB, DomSet);
238
239     // The newly created basic block dominates all nodes dominated by Header.
240     for (Function::iterator I = Header->getParent()->begin(),
241            E = Header->getParent()->end(); I != E; ++I)
242       if (DS.dominates(Header, I))
243         DS.addDominator(I, NewBB);
244   }
245   
246   // Update immediate dominator information if we have it...
247   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
248     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
249     ID->addNewBlock(NewBB, ID->get(Header));
250     
251     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
252     ID->setImmediateDominator(Header, NewBB);
253   }
254   
255   // Update DominatorTree information if it is active.
256   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
257     // The immediate dominator of the preheader is the immediate dominator of
258     // the old header.
259     //
260     DominatorTree::Node *HeaderNode = DT->getNode(Header);
261     DominatorTree::Node *PHNode = DT->createNewNode(NewBB,
262                                                     HeaderNode->getIDom());
263     
264     // Change the header node so that PNHode is the new immediate dominator
265     DT->changeImmediateDominator(HeaderNode, PHNode);
266   }
267
268   // Update dominance frontier information...
269   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
270     // The DF(NewBB) is just (DF(Header)-Header), because NewBB dominates
271     // everything that Header does, and it strictly dominates Header in
272     // addition.
273     assert(DF->find(Header) != DF->end() && "Header node doesn't have DF set?");
274     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet = DF->find(Header)->second;
275     NewDFSet.erase(Header);
276     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
277
278     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
279     // replacing occurrences of Header with NewBB in some cases.  If a block
280     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
281     // Header, it will have Header in it's DF set, but should now have NewBB in
282     // its set.
283     for (unsigned i = 0, e = OutsideBlocks.size(); i != e; ++i) {
284       // Get all of the dominators of the predecessor...
285       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =
286         DS.getDominators(OutsideBlocks[i]);
287       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
288              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
289         BasicBlock *PredDom = *PDI;
290         // If the loop header is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
291         // the header but did dominate a predecessor outside of the loop.  Now
292         // we change this entry to include the preheader in the DF instead of
293         // the header.
294         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
295         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
296         if (DFI->second.count(Header)) {
297           DF->removeFromFrontier(DFI, Header);
298           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
299         }
300       }
301     }
302   }
303 }
304
305 void Preheaders::RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit) {
306   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
307   assert(!DS.dominates(L->getHeader(), Exit) &&
308          "Loop already dominates exit block??");
309   assert(std::find(L->getExitBlocks().begin(), L->getExitBlocks().end(), Exit)
310          != L->getExitBlocks().end() && "Not a current exit block!");
311   
312   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
313   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I)
314     if (L->contains(*I))
315       LoopBlocks.push_back(*I);
316
317   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
318   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Exit, ".loopexit", LoopBlocks);
319
320   // Update Loop Information - we know that the new block will be in the parent
321   // loop of L.
322   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
323     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
324
325   // Replace any instances of Exit with NewBB in this and any nested loops...
326   for (df_iterator<Loop*> I = df_begin(L), E = df_end(L); I != E; ++I)
327     if (I->hasExitBlock(Exit))
328       I->changeExitBlock(Exit, NewBB);   // Update exit block information
329
330   // Update dominator information...  The blocks that dominate NewBB are the
331   // intersection of the dominators of predecessors, plus the block itself.
332   // The newly created basic block does not dominate anything except itself.
333   //
334   DominatorSet::DomSetType NewBBDomSet = DS.getDominators(LoopBlocks[0]);
335   for (unsigned i = 1, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i)
336     set_intersect(NewBBDomSet, DS.getDominators(LoopBlocks[i]));
337   NewBBDomSet.insert(NewBB);  // All blocks dominate themselves...
338   DS.addBasicBlock(NewBB, NewBBDomSet);
339
340   // Update immediate dominator information if we have it...
341   BasicBlock *NewBBIDom = 0;
342   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
343     // This block does not strictly dominate anything, so it is not an immediate
344     // dominator.  To find the immediate dominator of the new exit node, we
345     // trace up the immediate dominators of a predecessor until we find a basic
346     // block that dominates the exit block.
347     //
348     BasicBlock *Dom = LoopBlocks[0];  // Some random predecessor...
349     while (!NewBBDomSet.count(Dom)) {  // Loop until we find a dominator...
350       assert(Dom != 0 && "No shared dominator found???");
351       Dom = ID->get(Dom);
352     }
353
354     // Set the immediate dominator now...
355     ID->addNewBlock(NewBB, Dom);
356     NewBBIDom = Dom;   // Reuse this if calculating DominatorTree info...
357   }
358
359   // Update DominatorTree information if it is active.
360   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
361     // NewBB doesn't dominate anything, so just create a node and link it into
362     // its immediate dominator.  If we don't have ImmediateDominator info
363     // around, calculate the idom as above.
364     DominatorTree::Node *NewBBIDomNode;
365     if (NewBBIDom) {
366       NewBBIDomNode = DT->getNode(NewBBIDom);
367     } else {
368       NewBBIDomNode = DT->getNode(LoopBlocks[0]); // Random pred
369       while (!NewBBDomSet.count(NewBBIDomNode->getBlock())) {
370         NewBBIDomNode = NewBBIDomNode->getIDom();
371         assert(NewBBIDomNode && "No shared dominator found??");
372       }
373     }
374
375     // Create the new dominator tree node...
376     DT->createNewNode(NewBB, NewBBIDomNode);
377   }
378
379   // Update dominance frontier information...
380   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
381     // DF(NewBB) is {Exit} because NewBB does not strictly dominate Exit, but it
382     // does dominate itself (and there is an edge (NewBB -> Exit)).
383     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
384     NewDFSet.insert(Exit);
385     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
386
387     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
388     // replacing occurrences of Exit with NewBB in some cases.  If a block
389     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
390     // Exit, it will have Exit in it's DF set, but should now have NewBB in its
391     // set.
392     for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
393       // Get all of the dominators of the predecessor...
394       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =DS.getDominators(LoopBlocks[i]);
395       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
396              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
397         BasicBlock *PredDom = *PDI;
398         // Make sure to only rewrite blocks that are part of the loop...
399         if (L->contains(PredDom)) {
400           // If the exit node is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
401           // Exit but did dominate a predecessor inside of the loop.  Now we
402           // change this entry to include NewBB in the DF instead of Exit.
403           DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
404           assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
405           if (DFI->second.count(Exit)) {
406             DF->removeFromFrontier(DFI, Exit);
407             DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
408           }
409         }
410       }
411     }
412   }
413 }