[msan] Precise instrumentation for icmp sgt %x, -1.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopSimplify.cpp - Loop Canonicalization Pass ----------------------===//
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 several transformations to transform natural loops into a
11 // simpler form, which makes subsequent analyses and transformations simpler and
12 // more effective.
13 //
14 // Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical
15 // entry edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a
16 // number of analyses and transformations, such as LICM.
17 //
18 // Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop
19 // (blocks which are outside of the loop that have predecessors inside of the
20 // loop) only have predecessors from inside of the loop (and are thus dominated
21 // by the loop header).  This simplifies transformations such as store-sinking
22 // that are built into LICM.
23 //
24 // This pass also guarantees that loops will have exactly one backedge.
25 //
26 // Indirectbr instructions introduce several complications. If the loop
27 // contains or is entered by an indirectbr instruction, it may not be possible
28 // to transform the loop and make these guarantees. Client code should check
29 // that these conditions are true before relying on them.
30 //
31 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
32 // end up being unnecessary, so usage of this pass should not pessimize
33 // generated code.
34 //
35 // This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
36 // dominator information.
37 //
38 //===----------------------------------------------------------------------===//
39
40 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
41 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
42 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
43 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
47 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
48 #include "llvm/Analysis/DependenceAnalysis.h"
49 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
50 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
52 #include "llvm/IR/CFG.h"
53 #include "llvm/IR/Constants.h"
54 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
55 #include "llvm/IR/Dominators.h"
56 #include "llvm/IR/Function.h"
57 #include "llvm/IR/Instructions.h"
58 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
59 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
60 #include "llvm/IR/Module.h"
61 #include "llvm/IR/Type.h"
62 #include "llvm/Support/Debug.h"
63 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
64 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
65 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
67 using namespace llvm;
68
69 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
70
71 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
72 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
73
74 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
75 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
76 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
77 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
78                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
79                                      Loop *L) {
80   // Check to see if NewBB is already well placed.
81   Function::iterator BBI = NewBB; --BBI;
82   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
83     if (&*BBI == SplitPreds[i])
84       return;
85   }
86
87   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
88   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
89   // fall-through.
90
91   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
92   // block that neighbors a BB actually in the loop.
93   BasicBlock *FoundBB = nullptr;
94   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
95     Function::iterator BBI = SplitPreds[i];
96     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() &&
97         L->contains(BBI)) {
98       FoundBB = SplitPreds[i];
99       break;
100     }
101   }
102
103   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
104   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
105   // the loop.
106   if (!FoundBB)
107     FoundBB = SplitPreds[0];
108   NewBB->moveAfter(FoundBB);
109 }
110
111 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
112 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
113 /// preheader insertion and analysis updating.
114 ///
115 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
116   BasicBlock *Header = L->getHeader();
117
118   // Get analyses that we try to update.
119   auto *DTWP = PP->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
120   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
121   auto *LIWP = PP->getAnalysisIfAvailable<LoopInfoWrapperPass>();
122   auto *LI = LIWP ? &LIWP->getLoopInfo() : nullptr;
123   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
124
125   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
126   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
127   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
128        PI != PE; ++PI) {
129     BasicBlock *P = *PI;
130     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
131       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
132       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
133       // edge splitting.
134       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
135
136       // Keep track of it.
137       OutsideBlocks.push_back(P);
138     }
139   }
140
141   // Split out the loop pre-header.
142   BasicBlock *PreheaderBB;
143   PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader", DT,
144                                        LI, PreserveLCSSA);
145   if (!PreheaderBB)
146     return nullptr;
147
148   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
149                << PreheaderBB->getName() << "\n");
150
151   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
152   // code layout too horribly.
153   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
154
155   return PreheaderBB;
156 }
157
158 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
159 ///
160 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
161 /// the loop.
162 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit,
163                                         DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
164                                         Pass *PP) {
165   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
166   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
167     BasicBlock *P = *I;
168     if (L->contains(P)) {
169       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
170       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
171
172       LoopBlocks.push_back(P);
173     }
174   }
175
176   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
177   BasicBlock *NewExitBB = nullptr;
178
179   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
180
181   NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", DT, LI,
182                                      PreserveLCSSA);
183   if (!NewExitBB)
184     return nullptr;
185
186   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating dedicated exit block "
187                << NewExitBB->getName() << "\n");
188   return NewExitBB;
189 }
190
191 /// Add the specified block, and all of its predecessors, to the specified set,
192 /// if it's not already in there.  Stop predecessor traversal when we reach
193 /// StopBlock.
194 static void addBlockAndPredsToSet(BasicBlock *InputBB, BasicBlock *StopBlock,
195                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
196   SmallVector<BasicBlock *, 8> Worklist;
197   Worklist.push_back(InputBB);
198   do {
199     BasicBlock *BB = Worklist.pop_back_val();
200     if (Blocks.insert(BB).second && BB != StopBlock)
201       // If BB is not already processed and it is not a stop block then
202       // insert its predecessor in the work list
203       for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I) {
204         BasicBlock *WBB = *I;
205         Worklist.push_back(WBB);
206       }
207   } while (!Worklist.empty());
208 }
209
210 /// \brief The first part of loop-nestification is to find a PHI node that tells
211 /// us how to partition the loops.
212 static PHINode *findPHIToPartitionLoops(Loop *L, DominatorTree *DT,
213                                         AssumptionCache *AC) {
214   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
215   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
216     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
217     ++I;
218     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
219       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
220       PN->replaceAllUsesWith(V);
221       PN->eraseFromParent();
222       continue;
223     }
224
225     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
226     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
227       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
228           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
229         // We found something tasty to remove.
230         return PN;
231   }
232   return nullptr;
233 }
234
235 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
236 /// a nested loop.
237 ///
238 /// This is important for code that looks like
239 /// this:
240 ///
241 ///  Loop:
242 ///     ...
243 ///     br cond, Loop, Next
244 ///     ...
245 ///     br cond2, Loop, Out
246 ///
247 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
248 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
249 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
250 ///
251 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
252 /// created.
253 ///
254 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
255                                 DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
256                                 ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
257                                 AssumptionCache *AC) {
258   // Don't try to separate loops without a preheader.
259   if (!Preheader)
260     return nullptr;
261
262   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
263   BasicBlock *Header = L->getHeader();
264   assert(!Header->isEHPad() && "Can't insert backedge to EH pad");
265
266   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, DT, AC);
267   if (!PN) return nullptr;  // No known way to partition.
268
269   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
270   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
271   // arguments.
272   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
273   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
274     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
275         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
276       // We can't split indirectbr edges.
277       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
278         return nullptr;
279       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
280     }
281   }
282   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
283
284   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
285   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
286   // substantially change it.
287   if (SE)
288     SE->forgetLoop(L);
289
290   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
291
292   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds, ".outer",
293                                              DT, LI, PreserveLCSSA);
294
295   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
296   // code layout too horribly.
297   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
298
299   // Create the new outer loop.
300   Loop *NewOuter = new Loop();
301
302   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
303   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
304     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
305   else
306     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
307
308   // L is now a subloop of our outer loop.
309   NewOuter->addChildLoop(L);
310
311   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
312        I != E; ++I)
313     NewOuter->addBlockEntry(*I);
314
315   // Now reset the header in L, which had been moved by
316   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
317   L->moveToHeader(Header);
318
319   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
320   // the Outer loop now.
321   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
322   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
323     BasicBlock *P = *PI;
324     if (DT->dominates(Header, P))
325       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
326   }
327
328   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
329   // not part of the inner loop.
330   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
331   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
332     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
333       ++I;   // Loop remains in L
334     else
335       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
336
337   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
338   // OuterLoop, move any blocks that need it.
339   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
340     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
341     if (!BlocksInL.count(BB)) {
342       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
343       L->removeBlockFromLoop(BB);
344       if ((*LI)[BB] == L)
345         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
346       --i;
347     }
348   }
349
350   return NewOuter;
351 }
352
353 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
354 /// backedge in it.
355 ///
356 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
357 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
358 /// have exactly one backedge.
359 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
360                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
361   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
362
363   // Get information about the loop
364   BasicBlock *Header = L->getHeader();
365   Function *F = Header->getParent();
366
367   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
368   if (!Preheader)
369     return nullptr;
370
371   // The header is not an EH pad; preheader insertion should ensure this.
372   assert(!Header->isEHPad() && "Can't insert backedge to EH pad");
373
374   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
375   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
376   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
377     BasicBlock *P = *I;
378
379     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
380     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
381       return nullptr;
382
383     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
384   }
385
386   // Create and insert the new backedge block...
387   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
388                                            Header->getName() + ".backedge", F);
389   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
390   BETerminator->setDebugLoc(Header->getFirstNonPHI()->getDebugLoc());
391
392   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
393                << BEBlock->getName() << "\n");
394
395   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
396   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
397   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
398
399   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
400   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
401   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
402     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
403     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
404                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
405
406     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
407     // preheader over to the new PHI node.
408     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
409     bool HasUniqueIncomingValue = true;
410     Value *UniqueValue = nullptr;
411     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
412       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
413       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
414       if (IBB == Preheader) {
415         PreheaderIdx = i;
416       } else {
417         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
418         if (HasUniqueIncomingValue) {
419           if (!UniqueValue)
420             UniqueValue = IV;
421           else if (UniqueValue != IV)
422             HasUniqueIncomingValue = false;
423         }
424       }
425     }
426
427     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
428     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
429     if (PreheaderIdx != 0) {
430       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
431       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
432     }
433     // Nuke all entries except the zero'th.
434     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
435       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
436
437     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
438     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
439
440     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
441     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
442     // eliminate the PHI Node.
443     if (HasUniqueIncomingValue) {
444       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
445       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
446     }
447   }
448
449   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
450   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
451   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
452     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
453     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
454       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
455         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
456   }
457
458   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
459
460   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
461   // loop and all parent loops.
462   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, *LI);
463
464   // Update dominator information
465   DT->splitBlock(BEBlock);
466
467   return BEBlock;
468 }
469
470 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
471 ///
472 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
473 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
474 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
475 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
476 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
477                             DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
478                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
479                             AssumptionCache *AC) {
480   bool Changed = false;
481 ReprocessLoop:
482
483   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
484   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
485   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
486   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
487   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
488        BB != E; ++BB) {
489     if (*BB == L->getHeader()) continue;
490
491     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
492     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
493          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
494       BasicBlock *P = *PI;
495       if (!L->contains(P))
496         BadPreds.insert(P);
497     }
498
499     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
500     for (BasicBlock *P : BadPreds) {
501
502       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
503                    << P->getName() << "\n");
504
505       // Inform each successor of each dead pred.
506       for (succ_iterator SI = succ_begin(P), SE = succ_end(P); SI != SE; ++SI)
507         (*SI)->removePredecessor(P);
508       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
509       TerminatorInst *TI = P->getTerminator();
510        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
511       P->getTerminator()->eraseFromParent();
512       new UnreachableInst(P->getContext(), P);
513       Changed = true;
514     }
515   }
516
517   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
518   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
519   // trip count computations.
520   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
521   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
522   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
523        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
524     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
525       if (BI->isConditional()) {
526         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
527
528           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
529                        << (*I)->getName() << "\n");
530
531           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
532                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
533
534           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
535           if (SE)
536             SE->forgetLoop(L);
537
538           Changed = true;
539         }
540       }
541
542   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
543   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
544   if (!Preheader) {
545     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
546     if (Preheader) {
547       ++NumInserted;
548       Changed = true;
549     }
550   }
551
552   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
553   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
554   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
555   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
556   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
557   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
558
559   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
560                                                ExitBlocks.end());
561   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
562          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
563     BasicBlock *ExitBlock = *I;
564     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
565          PI != PE; ++PI)
566       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
567       // allowed.
568       if (!L->contains(*PI)) {
569         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, DT, LI, PP)) {
570           ++NumInserted;
571           Changed = true;
572         }
573         break;
574       }
575   }
576
577   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
578   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
579   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
580   if (!LoopLatch) {
581     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
582     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
583     // common backedge instead.
584     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
585       if (Loop *OuterL = separateNestedLoop(L, Preheader, DT, LI, SE, PP, AC)) {
586         ++NumNested;
587         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
588         // depth-first nest walk.
589         Worklist.push_back(OuterL);
590
591         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
592         Changed = true;
593         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
594         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
595         goto ReprocessLoop;
596       }
597     }
598
599     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
600     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
601     // loop header.
602     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, DT, LI);
603     if (LoopLatch) {
604       ++NumInserted;
605       Changed = true;
606     }
607   }
608
609   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
610
611   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
612   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
613   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
614   PHINode *PN;
615   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
616        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
617     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
618       if (SE) SE->forgetValue(PN);
619       PN->replaceAllUsesWith(V);
620       PN->eraseFromParent();
621     }
622
623   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
624   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
625   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
626   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
627   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
628   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
629   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
630   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
631   // to preserve dominator information.
632   bool UniqueExit = true;
633   if (!ExitBlocks.empty())
634     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
635       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
636         UniqueExit = false;
637         break;
638       }
639   if (UniqueExit) {
640     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
641       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
642       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
643       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
644       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
645       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
646       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
647
648       // Attempt to hoist out all instructions except for the
649       // comparison and the branch.
650       bool AllInvariant = true;
651       bool AnyInvariant = false;
652       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
653         Instruction *Inst = I++;
654         // Skip debug info intrinsics.
655         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
656           continue;
657         if (Inst == CI)
658           continue;
659         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
660                                   Preheader ? Preheader->getTerminator()
661                                             : nullptr)) {
662           AllInvariant = false;
663           break;
664         }
665       }
666       if (AnyInvariant) {
667         Changed = true;
668         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
669         // hoisted values have also changed.
670         if (SE)
671           SE->forgetLoopDispositions(L);
672       }
673       if (!AllInvariant) continue;
674
675       // The block has now been cleared of all instructions except for
676       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
677       // to fold it now.
678       if (!FoldBranchToCommonDest(BI))
679         continue;
680
681       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
682       // update the dominator tree and delete it.
683       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
684                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
685
686       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
687       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
688       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
689       // to forgetLoop() for the parent instead.
690       if (SE)
691         SE->forgetLoop(L);
692
693       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
694       Changed = true;
695       LI->removeBlock(ExitingBlock);
696
697       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
698       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
699         Node->getChildren();
700       while (!Children.empty()) {
701         DomTreeNode *Child = Children.front();
702         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
703       }
704       DT->eraseNode(ExitingBlock);
705
706       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
707       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
708       ExitingBlock->eraseFromParent();
709     }
710   }
711
712   return Changed;
713 }
714
715 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
716                         ScalarEvolution *SE, AssumptionCache *AC) {
717   bool Changed = false;
718
719   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
720   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
721   Worklist.push_back(L);
722
723   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
724   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
725   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
726   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
727     Loop *L2 = Worklist[Idx];
728     Worklist.append(L2->begin(), L2->end());
729   }
730
731   while (!Worklist.empty())
732     Changed |=
733         simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, DT, LI, SE, PP, AC);
734
735   return Changed;
736 }
737
738 namespace {
739   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
740     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
741     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
742       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
743     }
744
745     DominatorTree *DT;
746     LoopInfo *LI;
747     ScalarEvolution *SE;
748     AssumptionCache *AC;
749
750     bool runOnFunction(Function &F) override;
751
752     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
753       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
754
755       // We need loop information to identify the loops...
756       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
757       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
758
759       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
760       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
761
762       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
763       AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
764       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
765       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
766     }
767
768     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
769     void verifyAnalysis() const override;
770   };
771 }
772
773 char LoopSimplify::ID = 0;
774 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
775                 "Canonicalize natural loops", false, false)
776 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
777 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
778 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
779 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
780                 "Canonicalize natural loops", false, false)
781
782 // Publicly exposed interface to pass...
783 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
784 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
785
786 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
787 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
788 ///
789 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
790   bool Changed = false;
791   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
792   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
793   auto *SEWP = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolutionWrapperPass>();
794   SE = SEWP ? &SEWP->getSE() : nullptr;
795   AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
796
797   // Simplify each loop nest in the function.
798   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
799     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, SE, AC);
800
801   return Changed;
802 }
803
804 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
805 // below.
806 #if 0
807 static void verifyLoop(Loop *L) {
808   // Verify subloops.
809   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
810     verifyLoop(*I);
811
812   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
813   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
814   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
815   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
816
817   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
818   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
819     bool HasIndBrPred = false;
820     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
821          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
822       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
823         HasIndBrPred = true;
824         break;
825       }
826     assert(HasIndBrPred &&
827            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
828     (void)HasIndBrPred;
829   }
830
831   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
832   if (!L->hasDedicatedExits()) {
833     bool HasIndBrExiting = false;
834     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
835     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
836     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
837       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
838         HasIndBrExiting = true;
839         break;
840       }
841     }
842
843     assert(HasIndBrExiting &&
844            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
845     (void)HasIndBrExiting;
846   }
847 }
848 #endif
849
850 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
851   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
852   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
853   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
854   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
855 #if 0
856   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
857     verifyLoop(*I);
858 #endif
859 }