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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopSimplify.cpp - Loop Canonicalization Pass ----------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
27 // end up being unnecessary, so usage of this pass should not pessimize
28 // generated code.
29 //
30 // This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
31 // dominator information.
32 //
33 //===----------------------------------------------------------------------===//
34
35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
36 #include "llvm/Constant.h"
37 #include "llvm/Instructions.h"
38 #include "llvm/Function.h"
39 #include "llvm/Type.h"
40 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
41 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
42 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
43 #include "llvm/Support/CFG.h"
44 #include "llvm/Support/Visibility.h"
45 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
46 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
47 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
48 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
49 using namespace llvm;
50
51 namespace {
52   Statistic<>
53   NumInserted("loopsimplify", "Number of pre-header or exit blocks inserted");
54   Statistic<>
55   NumNested("loopsimplify", "Number of nested loops split out");
56
57   struct VISIBILITY_HIDDEN LoopSimplify : public FunctionPass {
58     // AA - If we have an alias analysis object to update, this is it, otherwise
59     // this is null.
60     AliasAnalysis *AA;
61     LoopInfo *LI;
62
63     virtual bool runOnFunction(Function &F);
64
65     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
66       // We need loop information to identify the loops...
67       AU.addRequired<LoopInfo>();
68       AU.addRequired<DominatorSet>();
69       AU.addRequired<DominatorTree>();
70
71       AU.addPreserved<LoopInfo>();
72       AU.addPreserved<DominatorSet>();
73       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
74       AU.addPreserved<ETForest>();
75       AU.addPreserved<DominatorTree>();
76       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
77       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
78     }
79   private:
80     bool ProcessLoop(Loop *L);
81     BasicBlock *SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB, const char *Suffix,
82                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds);
83     BasicBlock *RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit);
84     void InsertPreheaderForLoop(Loop *L);
85     Loop *SeparateNestedLoop(Loop *L);
86     void InsertUniqueBackedgeBlock(Loop *L);
87
88     void UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BasicBlock *NewBB,
89                                          std::vector<BasicBlock*> &PredBlocks);
90   };
91
92   RegisterOpt<LoopSimplify>
93   X("loopsimplify", "Canonicalize natural loops", true);
94 }
95
96 // Publically exposed interface to pass...
97 const PassInfo *llvm::LoopSimplifyID = X.getPassInfo();
98 FunctionPass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
99
100 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
101 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
102 ///
103 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
104   bool Changed = false;
105   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
106   AA = getAnalysisToUpdate<AliasAnalysis>();
107
108   // Check to see that no blocks (other than the header) in loops have
109   // predecessors that are not in loops.  This is not valid for natural loops,
110   // but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are unreachable we
111   // can just shamelessly destroy their terminators to make them not branch into
112   // the loop!
113   for (Function::iterator BB = F.begin(), E = F.end(); BB != E; ++BB) {
114     // This case can only occur for unreachable blocks.  Blocks that are
115     // unreachable can't be in loops, so filter those blocks out.
116     if (LI->getLoopFor(BB)) continue;
117     
118     bool BlockUnreachable = false;
119     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
120
121     // Check to see if any successors of this block are non-loop-header loops
122     // that are not the header.
123     for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
124       // If this successor is not in a loop, BB is clearly ok.
125       Loop *L = LI->getLoopFor(TI->getSuccessor(i));
126       if (!L) continue;
127       
128       // If the succ is the loop header, and if L is a top-level loop, then this
129       // is an entrance into a loop through the header, which is also ok.
130       if (L->getHeader() == TI->getSuccessor(i) && L->getParentLoop() == 0)
131         continue;
132       
133       // Otherwise, this is an entrance into a loop from some place invalid.
134       // Either the loop structure is invalid and this is not a natural loop (in
135       // which case the compiler is buggy somewhere else) or BB is unreachable.
136       BlockUnreachable = true;
137       break;
138     }
139     
140     // If this block is ok, check the next one.
141     if (!BlockUnreachable) continue;
142     
143     // Otherwise, this block is dead.  To clean up the CFG and to allow later
144     // loop transformations to ignore this case, we delete the edges into the
145     // loop by replacing the terminator.
146     
147     // Remove PHI entries from the successors.
148     for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
149       TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
150    
151     // Add a new unreachable instruction.
152     new UnreachableInst(TI);
153     
154     // Delete the dead terminator.
155     if (AA) AA->deleteValue(&BB->back());
156     BB->getInstList().pop_back();
157     Changed |= true;
158   }
159   
160   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
161     Changed |= ProcessLoop(*I);
162
163   return Changed;
164 }
165
166 /// ProcessLoop - Walk the loop structure in depth first order, ensuring that
167 /// all loops have preheaders.
168 ///
169 bool LoopSimplify::ProcessLoop(Loop *L) {
170   bool Changed = false;
171 ReprocessLoop:
172   
173   // Canonicalize inner loops before outer loops.  Inner loop canonicalization
174   // can provide work for the outer loop to canonicalize.
175   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
176     Changed |= ProcessLoop(*I);
177   
178   assert(L->getBlocks()[0] == L->getHeader() &&
179          "Header isn't first block in loop?");
180
181   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
182   if (L->getLoopPreheader() == 0) {
183     InsertPreheaderForLoop(L);
184     NumInserted++;
185     Changed = true;
186   }
187
188   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
189   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
190   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
191   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
192   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
193   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
194     
195   SetVector<BasicBlock*> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
196   for (SetVector<BasicBlock*>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
197          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
198     BasicBlock *ExitBlock = *I;
199     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
200          PI != PE; ++PI)
201       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
202       // allowed.
203       if (!L->contains(*PI)) {
204         RewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock);
205         NumInserted++;
206         Changed = true;
207         break;
208       }
209   }
210
211   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
212   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
213   unsigned NumBackedges = L->getNumBackEdges();
214   if (NumBackedges != 1) {
215     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
216     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
217     // common backedge instead.
218     if (NumBackedges < 8) {
219       if (Loop *NL = SeparateNestedLoop(L)) {
220         ++NumNested;
221         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
222         ProcessLoop(NL);
223         Changed = true;
224         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
225         goto ReprocessLoop;
226       }
227     }
228
229     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
230     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
231     // loop header.
232     InsertUniqueBackedgeBlock(L);
233     NumInserted++;
234     Changed = true;
235   }
236
237   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
238   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
239   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
240   PHINode *PN;
241   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
242        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
243     if (Value *V = PN->hasConstantValue()) {
244         PN->replaceAllUsesWith(V);
245         PN->eraseFromParent();
246       }
247
248   return Changed;
249 }
250
251 /// SplitBlockPredecessors - Split the specified block into two blocks.  We want
252 /// to move the predecessors specified in the Preds list to point to the new
253 /// block, leaving the remaining predecessors pointing to BB.  This method
254 /// updates the SSA PHINode's, but no other analyses.
255 ///
256 BasicBlock *LoopSimplify::SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB,
257                                                  const char *Suffix,
258                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds) {
259
260   // Create new basic block, insert right before the original block...
261   BasicBlock *NewBB = new BasicBlock(BB->getName()+Suffix, BB->getParent(), BB);
262
263   // The preheader first gets an unconditional branch to the loop header...
264   BranchInst *BI = new BranchInst(BB, NewBB);
265
266   // For every PHI node in the block, insert a PHI node into NewBB where the
267   // incoming values from the out of loop edges are moved to NewBB.  We have two
268   // possible cases here.  If the loop is dead, we just insert dummy entries
269   // into the PHI nodes for the new edge.  If the loop is not dead, we move the
270   // incoming edges in BB into new PHI nodes in NewBB.
271   //
272   if (!Preds.empty()) {  // Is the loop not obviously dead?
273     // Check to see if the values being merged into the new block need PHI
274     // nodes.  If so, insert them.
275     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
276       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
277       ++I;
278
279       // Check to see if all of the values coming in are the same.  If so, we
280       // don't need to create a new PHI node.
281       Value *InVal = PN->getIncomingValueForBlock(Preds[0]);
282       for (unsigned i = 1, e = Preds.size(); i != e; ++i)
283         if (InVal != PN->getIncomingValueForBlock(Preds[i])) {
284           InVal = 0;
285           break;
286         }
287
288       // If the values coming into the block are not the same, we need a PHI.
289       if (InVal == 0) {
290         // Create the new PHI node, insert it into NewBB at the end of the block
291         PHINode *NewPHI = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".ph", BI);
292         if (AA) AA->copyValue(PN, NewPHI);
293
294         // Move all of the edges from blocks outside the loop to the new PHI
295         for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
296           Value *V = PN->removeIncomingValue(Preds[i], false);
297           NewPHI->addIncoming(V, Preds[i]);
298         }
299         InVal = NewPHI;
300       } else {
301         // Remove all of the edges coming into the PHI nodes from outside of the
302         // block.
303         for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
304           PN->removeIncomingValue(Preds[i], false);
305       }
306
307       // Add an incoming value to the PHI node in the loop for the preheader
308       // edge.
309       PN->addIncoming(InVal, NewBB);
310
311       // Can we eliminate this phi node now?
312       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
313         if (!isa<Instruction>(V) ||
314             getAnalysis<DominatorSet>().dominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
315           PN->replaceAllUsesWith(V);
316           if (AA) AA->deleteValue(PN);
317           BB->getInstList().erase(PN);
318         }
319       }
320     }
321
322     // Now that the PHI nodes are updated, actually move the edges from
323     // Preds to point to NewBB instead of BB.
324     //
325     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
326       TerminatorInst *TI = Preds[i]->getTerminator();
327       for (unsigned s = 0, e = TI->getNumSuccessors(); s != e; ++s)
328         if (TI->getSuccessor(s) == BB)
329           TI->setSuccessor(s, NewBB);
330     }
331
332   } else {                       // Otherwise the loop is dead...
333     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
334       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
335       // Insert dummy values as the incoming value...
336       PN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), NewBB);
337     }
338   }
339   return NewBB;
340 }
341
342 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
343 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
344 /// preheader insertion and analysis updating.
345 ///
346 void LoopSimplify::InsertPreheaderForLoop(Loop *L) {
347   BasicBlock *Header = L->getHeader();
348
349   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
350   std::vector<BasicBlock*> OutsideBlocks;
351   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
352        PI != PE; ++PI)
353     if (!L->contains(*PI))           // Coming in from outside the loop?
354       OutsideBlocks.push_back(*PI);  // Keep track of it...
355
356   // Split out the loop pre-header
357   BasicBlock *NewBB =
358     SplitBlockPredecessors(Header, ".preheader", OutsideBlocks);
359
360   //===--------------------------------------------------------------------===//
361   //  Update analysis results now that we have performed the transformation
362   //
363
364   // We know that we have loop information to update... update it now.
365   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
366     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
367
368   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();  // Update dominator info
369   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
370
371
372   // Update the dominator tree information.
373   // The immediate dominator of the preheader is the immediate dominator of
374   // the old header.
375   DominatorTree::Node *PHDomTreeNode =
376     DT.createNewNode(NewBB, DT.getNode(Header)->getIDom());
377   BasicBlock *oldHeaderIDom = DT.getNode(Header)->getIDom()->getBlock();
378
379   // Change the header node so that PNHode is the new immediate dominator
380   DT.changeImmediateDominator(DT.getNode(Header), PHDomTreeNode);
381
382   {
383     // The blocks that dominate NewBB are the blocks that dominate Header,
384     // minus Header, plus NewBB.
385     DominatorSet::DomSetType DomSet = DS.getDominators(Header);
386     DomSet.erase(Header);  // Header does not dominate us...
387     DS.addBasicBlock(NewBB, DomSet);
388
389     // The newly created basic block dominates all nodes dominated by Header.
390     for (df_iterator<DominatorTree::Node*> DFI = df_begin(PHDomTreeNode),
391            E = df_end(PHDomTreeNode); DFI != E; ++DFI)
392       DS.addDominator((*DFI)->getBlock(), NewBB);
393   }
394
395   // Update immediate dominator information if we have it...
396   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
397     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
398     ID->addNewBlock(NewBB, ID->get(Header));
399
400     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
401     ID->setImmediateDominator(Header, NewBB);
402   }
403   
404   // Update ET Forest information if we have it...
405   if (ETForest *EF = getAnalysisToUpdate<ETForest>()) {
406     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
407     EF->addNewBlock(NewBB, oldHeaderIDom);
408
409     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
410     EF->setImmediateDominator(Header, NewBB);
411   }
412
413   // Update dominance frontier information...
414   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
415     // The DF(NewBB) is just (DF(Header)-Header), because NewBB dominates
416     // everything that Header does, and it strictly dominates Header in
417     // addition.
418     assert(DF->find(Header) != DF->end() && "Header node doesn't have DF set?");
419     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet = DF->find(Header)->second;
420     NewDFSet.erase(Header);
421     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
422
423     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
424     // replacing occurrences of Header with NewBB in some cases.  If a block
425     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
426     // Header, it will have Header in it's DF set, but should now have NewBB in
427     // its set.
428     for (unsigned i = 0, e = OutsideBlocks.size(); i != e; ++i) {
429       // Get all of the dominators of the predecessor...
430       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =
431         DS.getDominators(OutsideBlocks[i]);
432       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
433              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
434         BasicBlock *PredDom = *PDI;
435         // If the loop header is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
436         // the header but did dominate a predecessor outside of the loop.  Now
437         // we change this entry to include the preheader in the DF instead of
438         // the header.
439         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
440         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
441         if (DFI->second.count(Header)) {
442           DF->removeFromFrontier(DFI, Header);
443           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
444         }
445       }
446     }
447   }
448 }
449
450 /// RewriteLoopExitBlock - Ensure that the loop preheader dominates all exit
451 /// blocks.  This method is used to split exit blocks that have predecessors
452 /// outside of the loop.
453 BasicBlock *LoopSimplify::RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit) {
454   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
455   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I)
456     if (L->contains(*I))
457       LoopBlocks.push_back(*I);
458
459   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
460   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Exit, ".loopexit", LoopBlocks);
461
462   // Update Loop Information - we know that the new block will be in whichever
463   // loop the Exit block is in.  Note that it may not be in that immediate loop,
464   // if the successor is some other loop header.  In that case, we continue 
465   // walking up the loop tree to find a loop that contains both the successor
466   // block and the predecessor block.
467   Loop *SuccLoop = LI->getLoopFor(Exit);
468   while (SuccLoop && !SuccLoop->contains(L->getHeader()))
469     SuccLoop = SuccLoop->getParentLoop();
470   if (SuccLoop)
471     SuccLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
472
473   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
474   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(NewBB, LoopBlocks);
475   return NewBB;
476 }
477
478 /// AddBlockAndPredsToSet - Add the specified block, and all of its
479 /// predecessors, to the specified set, if it's not already in there.  Stop
480 /// predecessor traversal when we reach StopBlock.
481 static void AddBlockAndPredsToSet(BasicBlock *BB, BasicBlock *StopBlock,
482                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
483   if (!Blocks.insert(BB).second) return;  // already processed.
484   if (BB == StopBlock) return;  // Stop here!
485
486   for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I)
487     AddBlockAndPredsToSet(*I, StopBlock, Blocks);
488 }
489
490 /// FindPHIToPartitionLoops - The first part of loop-nestification is to find a
491 /// PHI node that tells us how to partition the loops.
492 static PHINode *FindPHIToPartitionLoops(Loop *L, DominatorSet &DS,
493                                         AliasAnalysis *AA) {
494   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
495     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
496     ++I;
497     if (Value *V = PN->hasConstantValue())
498       if (!isa<Instruction>(V) || DS.dominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
499         // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
500         PN->replaceAllUsesWith(V);
501         if (AA) AA->deleteValue(PN);
502         PN->eraseFromParent();
503         continue;
504       }
505
506     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
507     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
508       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
509           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
510         // We found something tasty to remove.
511         return PN;
512   }
513   return 0;
514 }
515
516 /// SeparateNestedLoop - If this loop has multiple backedges, try to pull one of
517 /// them out into a nested loop.  This is important for code that looks like
518 /// this:
519 ///
520 ///  Loop:
521 ///     ...
522 ///     br cond, Loop, Next
523 ///     ...
524 ///     br cond2, Loop, Out
525 ///
526 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
527 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
528 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
529 ///
530 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
531 /// created.
532 ///
533 Loop *LoopSimplify::SeparateNestedLoop(Loop *L) {
534   PHINode *PN = FindPHIToPartitionLoops(L, getAnalysis<DominatorSet>(), AA);
535   if (PN == 0) return 0;  // No known way to partition.
536
537   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
538   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
539   // arguments.
540   std::vector<BasicBlock*> OuterLoopPreds;
541   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
542     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
543         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
544       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
545
546   BasicBlock *Header = L->getHeader();
547   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, ".outer", OuterLoopPreds);
548
549   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
550   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(NewBB, OuterLoopPreds);
551
552   // Create the new outer loop.
553   Loop *NewOuter = new Loop();
554
555   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
556   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
557     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
558   else
559     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
560
561   // This block is going to be our new header block: add it to this loop and all
562   // parent loops.
563   NewOuter->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
564
565   // L is now a subloop of our outer loop.
566   NewOuter->addChildLoop(L);
567
568   for (unsigned i = 0, e = L->getBlocks().size(); i != e; ++i)
569     NewOuter->addBlockEntry(L->getBlocks()[i]);
570
571   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
572   // the Outer loop now.
573   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
574   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
575   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI)
576     if (DS.dominates(Header, *PI))
577       AddBlockAndPredsToSet(*PI, Header, BlocksInL);
578
579
580   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
581   // not part of the inner loop.
582   for (Loop::iterator I = L->begin(); I != L->end(); )
583     if (BlocksInL.count((*I)->getHeader()))
584       ++I;   // Loop remains in L
585     else
586       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(I));
587
588   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
589   // OuterLoop, move any blocks that need it.
590   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
591     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
592     if (!BlocksInL.count(BB)) {
593       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
594       L->removeBlockFromLoop(BB);
595       if ((*LI)[BB] == L)
596         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
597       --i;
598     }
599   }
600
601   return NewOuter;
602 }
603
604
605
606 /// InsertUniqueBackedgeBlock - This method is called when the specified loop
607 /// has more than one backedge in it.  If this occurs, revector all of these
608 /// backedges to target a new basic block and have that block branch to the loop
609 /// header.  This ensures that loops have exactly one backedge.
610 ///
611 void LoopSimplify::InsertUniqueBackedgeBlock(Loop *L) {
612   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
613
614   // Get information about the loop
615   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
616   BasicBlock *Header = L->getHeader();
617   Function *F = Header->getParent();
618
619   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
620   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
621   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I)
622     if (*I != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(*I);
623
624   // Create and insert the new backedge block...
625   BasicBlock *BEBlock = new BasicBlock(Header->getName()+".backedge", F);
626   BranchInst *BETerminator = new BranchInst(Header, BEBlock);
627
628   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
629   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
630   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
631
632   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
633   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
634   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
635     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
636     PHINode *NewPN = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".be",
637                                  BETerminator);
638     NewPN->reserveOperandSpace(BackedgeBlocks.size());
639     if (AA) AA->copyValue(PN, NewPN);
640
641     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
642     // preheader over to the new PHI node.
643     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
644     bool HasUniqueIncomingValue = true;
645     Value *UniqueValue = 0;
646     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
647       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
648       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
649       if (IBB == Preheader) {
650         PreheaderIdx = i;
651       } else {
652         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
653         if (HasUniqueIncomingValue) {
654           if (UniqueValue == 0)
655             UniqueValue = IV;
656           else if (UniqueValue != IV)
657             HasUniqueIncomingValue = false;
658         }
659       }
660     }
661
662     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
663     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
664     if (PreheaderIdx != 0) {
665       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
666       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
667     }
668     // Nuke all entries except the zero'th.
669     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
670       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
671
672     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
673     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
674
675     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
676     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
677     // eliminate the PHI Node.
678     if (HasUniqueIncomingValue) {
679       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
680       if (AA) AA->deleteValue(NewPN);
681       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
682     }
683   }
684
685   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
686   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
687   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
688     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
689     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
690       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
691         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
692   }
693
694   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
695
696   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
697   // loop and all parent loops.
698   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, *LI);
699
700   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
701   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BEBlock, BackedgeBlocks);
702 }
703
704 /// UpdateDomInfoForRevectoredPreds - This method is used to update the four
705 /// different kinds of dominator information (dominator sets, immediate
706 /// dominators, dominator trees, and dominance frontiers) after a new block has
707 /// been added to the CFG.
708 ///
709 /// This only supports the case when an existing block (known as "NewBBSucc"),
710 /// had some of its predecessors factored into a new basic block.  This
711 /// transformation inserts a new basic block ("NewBB"), with a single
712 /// unconditional branch to NewBBSucc, and moves some predecessors of
713 /// "NewBBSucc" to now branch to NewBB.  These predecessors are listed in
714 /// PredBlocks, even though they are the same as
715 /// pred_begin(NewBB)/pred_end(NewBB).
716 ///
717 void LoopSimplify::UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BasicBlock *NewBB,
718                                          std::vector<BasicBlock*> &PredBlocks) {
719   assert(!PredBlocks.empty() && "No predblocks??");
720   assert(succ_begin(NewBB) != succ_end(NewBB) &&
721          ++succ_begin(NewBB) == succ_end(NewBB) &&
722          "NewBB should have a single successor!");
723   BasicBlock *NewBBSucc = *succ_begin(NewBB);
724   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
725
726   // Update dominator information...  The blocks that dominate NewBB are the
727   // intersection of the dominators of predecessors, plus the block itself.
728   //
729   DominatorSet::DomSetType NewBBDomSet = DS.getDominators(PredBlocks[0]);
730   for (unsigned i = 1, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i)
731     set_intersect(NewBBDomSet, DS.getDominators(PredBlocks[i]));
732   NewBBDomSet.insert(NewBB);  // All blocks dominate themselves...
733   DS.addBasicBlock(NewBB, NewBBDomSet);
734
735   // The newly inserted basic block will dominate existing basic blocks iff the
736   // PredBlocks dominate all of the non-pred blocks.  If all predblocks dominate
737   // the non-pred blocks, then they all must be the same block!
738   //
739   bool NewBBDominatesNewBBSucc = true;
740   {
741     BasicBlock *OnePred = PredBlocks[0];
742     for (unsigned i = 1, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i)
743       if (PredBlocks[i] != OnePred) {
744         NewBBDominatesNewBBSucc = false;
745         break;
746       }
747
748     if (NewBBDominatesNewBBSucc)
749       for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc), E = pred_end(NewBBSucc);
750            PI != E; ++PI)
751         if (*PI != NewBB && !DS.dominates(NewBBSucc, *PI)) {
752           NewBBDominatesNewBBSucc = false;
753           break;
754         }
755   }
756
757   // The other scenario where the new block can dominate its successors are when
758   // all predecessors of NewBBSucc that are not NewBB are dominated by NewBBSucc
759   // already.
760   if (!NewBBDominatesNewBBSucc) {
761     NewBBDominatesNewBBSucc = true;
762     for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc), E = pred_end(NewBBSucc);
763          PI != E; ++PI)
764       if (*PI != NewBB && !DS.dominates(NewBBSucc, *PI)) {
765         NewBBDominatesNewBBSucc = false;
766         break;
767       }
768   }
769
770   // If NewBB dominates some blocks, then it will dominate all blocks that
771   // NewBBSucc does.
772   if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
773     BasicBlock *PredBlock = PredBlocks[0];
774     Function *F = NewBB->getParent();
775     for (Function::iterator I = F->begin(), E = F->end(); I != E; ++I)
776       if (DS.dominates(NewBBSucc, I))
777         DS.addDominator(I, NewBB);
778   }
779
780   // Update immediate dominator information if we have it...
781   BasicBlock *NewBBIDom = 0;
782   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
783     // To find the immediate dominator of the new exit node, we trace up the
784     // immediate dominators of a predecessor until we find a basic block that
785     // dominates the exit block.
786     //
787     BasicBlock *Dom = PredBlocks[0];  // Some random predecessor...
788     while (!NewBBDomSet.count(Dom)) {  // Loop until we find a dominator...
789       assert(Dom != 0 && "No shared dominator found???");
790       Dom = ID->get(Dom);
791     }
792
793     // Set the immediate dominator now...
794     ID->addNewBlock(NewBB, Dom);
795     NewBBIDom = Dom;   // Reuse this if calculating DominatorTree info...
796
797     // If NewBB strictly dominates other blocks, we need to update their idom's
798     // now.  The only block that need adjustment is the NewBBSucc block, whose
799     // idom should currently be set to PredBlocks[0].
800     if (NewBBDominatesNewBBSucc)
801       ID->setImmediateDominator(NewBBSucc, NewBB);
802   }
803
804   // Update DominatorTree information if it is active.
805   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
806     // If we don't have ImmediateDominator info around, calculate the idom as
807     // above.
808     DominatorTree::Node *NewBBIDomNode;
809     if (NewBBIDom) {
810       NewBBIDomNode = DT->getNode(NewBBIDom);
811     } else {
812       NewBBIDomNode = DT->getNode(PredBlocks[0]); // Random pred
813       while (!NewBBDomSet.count(NewBBIDomNode->getBlock())) {
814         NewBBIDomNode = NewBBIDomNode->getIDom();
815         assert(NewBBIDomNode && "No shared dominator found??");
816       }
817       NewBBIDom = NewBBIDomNode->getBlock();
818     }
819
820     // Create the new dominator tree node... and set the idom of NewBB.
821     DominatorTree::Node *NewBBNode = DT->createNewNode(NewBB, NewBBIDomNode);
822
823     // If NewBB strictly dominates other blocks, then it is now the immediate
824     // dominator of NewBBSucc.  Update the dominator tree as appropriate.
825     if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
826       DominatorTree::Node *NewBBSuccNode = DT->getNode(NewBBSucc);
827       DT->changeImmediateDominator(NewBBSuccNode, NewBBNode);
828     }
829   }
830
831   // Update ET-Forest information if it is active.
832   if (ETForest *EF = getAnalysisToUpdate<ETForest>()) {
833     EF->addNewBlock(NewBB, NewBBIDom);
834     if (NewBBDominatesNewBBSucc)
835       EF->setImmediateDominator(NewBBSucc, NewBB);
836   }
837
838   // Update dominance frontier information...
839   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
840     // If NewBB dominates NewBBSucc, then DF(NewBB) is now going to be the
841     // DF(PredBlocks[0]) without the stuff that the new block does not dominate
842     // a predecessor of.
843     if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
844       DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredBlocks[0]);
845       if (DFI != DF->end()) {
846         DominanceFrontier::DomSetType Set = DFI->second;
847         // Filter out stuff in Set that we do not dominate a predecessor of.
848         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator SetI = Set.begin(),
849                E = Set.end(); SetI != E;) {
850           bool DominatesPred = false;
851           for (pred_iterator PI = pred_begin(*SetI), E = pred_end(*SetI);
852                PI != E; ++PI)
853             if (DS.dominates(NewBB, *PI))
854               DominatesPred = true;
855           if (!DominatesPred)
856             Set.erase(SetI++);
857           else
858             ++SetI;
859         }
860
861         DF->addBasicBlock(NewBB, Set);
862       }
863
864     } else {
865       // DF(NewBB) is {NewBBSucc} because NewBB does not strictly dominate
866       // NewBBSucc, but it does dominate itself (and there is an edge (NewBB ->
867       // NewBBSucc)).  NewBBSucc is the single successor of NewBB.
868       DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
869       NewDFSet.insert(NewBBSucc);
870       DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
871     }
872
873     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
874     // replacing occurrences of NewBBSucc with NewBB in some cases.  All
875     // blocks that dominate a block in PredBlocks and contained NewBBSucc in
876     // their dominance frontier must be updated to contain NewBB instead.
877     //
878     for (unsigned i = 0, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i) {
879       BasicBlock *Pred = PredBlocks[i];
880       // Get all of the dominators of the predecessor...
881       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms = DS.getDominators(Pred);
882       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
883              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
884         BasicBlock *PredDom = *PDI;
885
886         // If the NewBBSucc node is in DF(PredDom), then PredDom didn't
887         // dominate NewBBSucc but did dominate a predecessor of it.  Now we
888         // change this entry to include NewBB in the DF instead of NewBBSucc.
889         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
890         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
891         if (DFI->second.count(NewBBSucc)) {
892           // If NewBBSucc should not stay in our dominator frontier, remove it.
893           // We remove it unless there is a predecessor of NewBBSucc that we
894           // dominate, but we don't strictly dominate NewBBSucc.
895           bool ShouldRemove = true;
896           if (PredDom == NewBBSucc || !DS.dominates(PredDom, NewBBSucc)) {
897             // Okay, we know that PredDom does not strictly dominate NewBBSucc.
898             // Check to see if it dominates any predecessors of NewBBSucc.
899             for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc),
900                    E = pred_end(NewBBSucc); PI != E; ++PI)
901               if (DS.dominates(PredDom, *PI)) {
902                 ShouldRemove = false;
903                 break;
904               }
905           }
906
907           if (ShouldRemove)
908             DF->removeFromFrontier(DFI, NewBBSucc);
909           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
910         }
911       }
912     }
913   }
914 }
915