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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 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/BasicAliasAnalysis.h"
48 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
49 #include "llvm/Analysis/DependenceAnalysis.h"
50 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
51 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
52 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
54 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
55 #include "llvm/IR/CFG.h"
56 #include "llvm/IR/Constants.h"
57 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
58 #include "llvm/IR/Dominators.h"
59 #include "llvm/IR/Function.h"
60 #include "llvm/IR/Instructions.h"
61 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
62 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
63 #include "llvm/IR/Module.h"
64 #include "llvm/IR/Type.h"
65 #include "llvm/Support/Debug.h"
66 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
67 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
68 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
69 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
70 using namespace llvm;
71
72 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
73
74 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
75 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
76
77 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
78 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
79 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
80 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
81                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
82                                      Loop *L) {
83   // Check to see if NewBB is already well placed.
84   Function::iterator BBI = --NewBB->getIterator();
85   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
86     if (&*BBI == SplitPreds[i])
87       return;
88   }
89
90   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
91   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
92   // fall-through.
93
94   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
95   // block that neighbors a BB actually in the loop.
96   BasicBlock *FoundBB = nullptr;
97   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
98     Function::iterator BBI = SplitPreds[i]->getIterator();
99     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() && L->contains(&*BBI)) {
100       FoundBB = SplitPreds[i];
101       break;
102     }
103   }
104
105   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
106   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
107   // the loop.
108   if (!FoundBB)
109     FoundBB = SplitPreds[0];
110   NewBB->moveAfter(FoundBB);
111 }
112
113 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
114 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
115 /// preheader insertion and analysis updating.
116 ///
117 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
118   BasicBlock *Header = L->getHeader();
119
120   // Get analyses that we try to update.
121   auto *DTWP = PP->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
122   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
123   auto *LIWP = PP->getAnalysisIfAvailable<LoopInfoWrapperPass>();
124   auto *LI = LIWP ? &LIWP->getLoopInfo() : nullptr;
125   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
126
127   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
128   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
129   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
130        PI != PE; ++PI) {
131     BasicBlock *P = *PI;
132     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
133       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
134       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
135       // edge splitting.
136       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
137
138       // Keep track of it.
139       OutsideBlocks.push_back(P);
140     }
141   }
142
143   // Split out the loop pre-header.
144   BasicBlock *PreheaderBB;
145   PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader", DT,
146                                        LI, PreserveLCSSA);
147   if (!PreheaderBB)
148     return nullptr;
149
150   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
151                << PreheaderBB->getName() << "\n");
152
153   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
154   // code layout too horribly.
155   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
156
157   return PreheaderBB;
158 }
159
160 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
161 ///
162 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
163 /// the loop.
164 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit,
165                                         DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
166                                         Pass *PP) {
167   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
168   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
169     BasicBlock *P = *I;
170     if (L->contains(P)) {
171       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
172       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
173
174       LoopBlocks.push_back(P);
175     }
176   }
177
178   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
179   BasicBlock *NewExitBB = nullptr;
180
181   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
182
183   NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", DT, LI,
184                                      PreserveLCSSA);
185   if (!NewExitBB)
186     return nullptr;
187
188   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating dedicated exit block "
189                << NewExitBB->getName() << "\n");
190   return NewExitBB;
191 }
192
193 /// Add the specified block, and all of its predecessors, to the specified set,
194 /// if it's not already in there.  Stop predecessor traversal when we reach
195 /// StopBlock.
196 static void addBlockAndPredsToSet(BasicBlock *InputBB, BasicBlock *StopBlock,
197                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
198   SmallVector<BasicBlock *, 8> Worklist;
199   Worklist.push_back(InputBB);
200   do {
201     BasicBlock *BB = Worklist.pop_back_val();
202     if (Blocks.insert(BB).second && BB != StopBlock)
203       // If BB is not already processed and it is not a stop block then
204       // insert its predecessor in the work list
205       for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I) {
206         BasicBlock *WBB = *I;
207         Worklist.push_back(WBB);
208       }
209   } while (!Worklist.empty());
210 }
211
212 /// \brief The first part of loop-nestification is to find a PHI node that tells
213 /// us how to partition the loops.
214 static PHINode *findPHIToPartitionLoops(Loop *L, DominatorTree *DT,
215                                         AssumptionCache *AC) {
216   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
217   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
218     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
219     ++I;
220     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
221       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
222       PN->replaceAllUsesWith(V);
223       PN->eraseFromParent();
224       continue;
225     }
226
227     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
228     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
229       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
230           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
231         // We found something tasty to remove.
232         return PN;
233   }
234   return nullptr;
235 }
236
237 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
238 /// a nested loop.
239 ///
240 /// This is important for code that looks like
241 /// this:
242 ///
243 ///  Loop:
244 ///     ...
245 ///     br cond, Loop, Next
246 ///     ...
247 ///     br cond2, Loop, Out
248 ///
249 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
250 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
251 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
252 ///
253 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
254 /// created.
255 ///
256 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
257                                 DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
258                                 ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
259                                 AssumptionCache *AC) {
260   // Don't try to separate loops without a preheader.
261   if (!Preheader)
262     return nullptr;
263
264   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
265   BasicBlock *Header = L->getHeader();
266   assert(!Header->isEHPad() && "Can't insert backedge to EH pad");
267
268   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, DT, AC);
269   if (!PN) return nullptr;  // No known way to partition.
270
271   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
272   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
273   // arguments.
274   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
275   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
276     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
277         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
278       // We can't split indirectbr edges.
279       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
280         return nullptr;
281       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
282     }
283   }
284   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
285
286   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
287   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
288   // substantially change it.
289   if (SE)
290     SE->forgetLoop(L);
291
292   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
293
294   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds, ".outer",
295                                              DT, LI, PreserveLCSSA);
296
297   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
298   // code layout too horribly.
299   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
300
301   // Create the new outer loop.
302   Loop *NewOuter = new Loop();
303
304   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
305   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
306     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
307   else
308     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
309
310   // L is now a subloop of our outer loop.
311   NewOuter->addChildLoop(L);
312
313   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
314        I != E; ++I)
315     NewOuter->addBlockEntry(*I);
316
317   // Now reset the header in L, which had been moved by
318   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
319   L->moveToHeader(Header);
320
321   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
322   // the Outer loop now.
323   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
324   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
325     BasicBlock *P = *PI;
326     if (DT->dominates(Header, P))
327       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
328   }
329
330   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
331   // not part of the inner loop.
332   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
333   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
334     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
335       ++I;   // Loop remains in L
336     else
337       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
338
339   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
340   // OuterLoop, move any blocks that need it.
341   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
342     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
343     if (!BlocksInL.count(BB)) {
344       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
345       L->removeBlockFromLoop(BB);
346       if ((*LI)[BB] == L)
347         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
348       --i;
349     }
350   }
351
352   return NewOuter;
353 }
354
355 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
356 /// backedge in it.
357 ///
358 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
359 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
360 /// have exactly one backedge.
361 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
362                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
363   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
364
365   // Get information about the loop
366   BasicBlock *Header = L->getHeader();
367   Function *F = Header->getParent();
368
369   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
370   if (!Preheader)
371     return nullptr;
372
373   // The header is not an EH pad; preheader insertion should ensure this.
374   assert(!Header->isEHPad() && "Can't insert backedge to EH pad");
375
376   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
377   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
378   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
379     BasicBlock *P = *I;
380
381     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
382     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
383       return nullptr;
384
385     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
386   }
387
388   // Create and insert the new backedge block...
389   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
390                                            Header->getName() + ".backedge", F);
391   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
392   BETerminator->setDebugLoc(Header->getFirstNonPHI()->getDebugLoc());
393
394   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
395                << BEBlock->getName() << "\n");
396
397   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
398   Function::iterator InsertPos = ++BackedgeBlocks.back()->getIterator();
399   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
400
401   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
402   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
403   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
404     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
405     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
406                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
407
408     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
409     // preheader over to the new PHI node.
410     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
411     bool HasUniqueIncomingValue = true;
412     Value *UniqueValue = nullptr;
413     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
414       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
415       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
416       if (IBB == Preheader) {
417         PreheaderIdx = i;
418       } else {
419         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
420         if (HasUniqueIncomingValue) {
421           if (!UniqueValue)
422             UniqueValue = IV;
423           else if (UniqueValue != IV)
424             HasUniqueIncomingValue = false;
425         }
426       }
427     }
428
429     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
430     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
431     if (PreheaderIdx != 0) {
432       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
433       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
434     }
435     // Nuke all entries except the zero'th.
436     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
437       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
438
439     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
440     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
441
442     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
443     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
444     // eliminate the PHI Node.
445     if (HasUniqueIncomingValue) {
446       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
447       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
448     }
449   }
450
451   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
452   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
453   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
454     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
455     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
456       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
457         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
458   }
459
460   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
461
462   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
463   // loop and all parent loops.
464   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, *LI);
465
466   // Update dominator information
467   DT->splitBlock(BEBlock);
468
469   return BEBlock;
470 }
471
472 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
473 ///
474 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
475 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
476 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
477 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
478 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
479                             DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
480                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
481                             AssumptionCache *AC) {
482   bool Changed = false;
483 ReprocessLoop:
484
485   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
486   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
487   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
488   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
489   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
490        BB != E; ++BB) {
491     if (*BB == L->getHeader()) continue;
492
493     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
494     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
495          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
496       BasicBlock *P = *PI;
497       if (!L->contains(P))
498         BadPreds.insert(P);
499     }
500
501     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
502     for (BasicBlock *P : BadPreds) {
503
504       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
505                    << P->getName() << "\n");
506
507       // Inform each successor of each dead pred.
508       for (succ_iterator SI = succ_begin(P), SE = succ_end(P); SI != SE; ++SI)
509         (*SI)->removePredecessor(P);
510       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
511       TerminatorInst *TI = P->getTerminator();
512        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
513       P->getTerminator()->eraseFromParent();
514       new UnreachableInst(P->getContext(), P);
515       Changed = true;
516     }
517   }
518
519   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
520   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
521   // trip count computations.
522   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
523   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
524   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
525        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
526     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
527       if (BI->isConditional()) {
528         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
529
530           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
531                        << (*I)->getName() << "\n");
532
533           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
534                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
535
536           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
537           if (SE)
538             SE->forgetLoop(L);
539
540           Changed = true;
541         }
542       }
543
544   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
545   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
546   if (!Preheader) {
547     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
548     if (Preheader) {
549       ++NumInserted;
550       Changed = true;
551     }
552   }
553
554   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
555   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
556   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
557   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
558   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
559   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
560
561   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
562                                                ExitBlocks.end());
563   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
564          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
565     BasicBlock *ExitBlock = *I;
566     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
567          PI != PE; ++PI)
568       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
569       // allowed.
570       if (!L->contains(*PI)) {
571         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, DT, LI, PP)) {
572           ++NumInserted;
573           Changed = true;
574         }
575         break;
576       }
577   }
578
579   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
580   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
581   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
582   if (!LoopLatch) {
583     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
584     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
585     // common backedge instead.
586     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
587       if (Loop *OuterL = separateNestedLoop(L, Preheader, DT, LI, SE, PP, AC)) {
588         ++NumNested;
589         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
590         // depth-first nest walk.
591         Worklist.push_back(OuterL);
592
593         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
594         Changed = true;
595         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
596         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
597         goto ReprocessLoop;
598       }
599     }
600
601     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
602     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
603     // loop header.
604     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, DT, LI);
605     if (LoopLatch) {
606       ++NumInserted;
607       Changed = true;
608     }
609   }
610
611   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
612
613   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
614   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
615   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
616   PHINode *PN;
617   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
618        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
619     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
620       if (SE) SE->forgetValue(PN);
621       PN->replaceAllUsesWith(V);
622       PN->eraseFromParent();
623     }
624
625   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
626   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
627   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
628   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
629   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
630   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
631   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
632   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
633   // to preserve dominator information.
634   bool UniqueExit = true;
635   if (!ExitBlocks.empty())
636     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
637       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
638         UniqueExit = false;
639         break;
640       }
641   if (UniqueExit) {
642     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
643       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
644       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
645       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
646       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
647       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
648       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
649
650       // Attempt to hoist out all instructions except for the
651       // comparison and the branch.
652       bool AllInvariant = true;
653       bool AnyInvariant = false;
654       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
655         Instruction *Inst = &*I++;
656         // Skip debug info intrinsics.
657         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
658           continue;
659         if (Inst == CI)
660           continue;
661         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
662                                   Preheader ? Preheader->getTerminator()
663                                             : nullptr)) {
664           AllInvariant = false;
665           break;
666         }
667       }
668       if (AnyInvariant) {
669         Changed = true;
670         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
671         // hoisted values have also changed.
672         if (SE)
673           SE->forgetLoopDispositions(L);
674       }
675       if (!AllInvariant) continue;
676
677       // The block has now been cleared of all instructions except for
678       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
679       // to fold it now.
680       if (!FoldBranchToCommonDest(BI))
681         continue;
682
683       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
684       // update the dominator tree and delete it.
685       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
686                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
687
688       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
689       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
690       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
691       // to forgetLoop() for the parent instead.
692       if (SE)
693         SE->forgetLoop(L);
694
695       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
696       Changed = true;
697       LI->removeBlock(ExitingBlock);
698
699       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
700       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
701         Node->getChildren();
702       while (!Children.empty()) {
703         DomTreeNode *Child = Children.front();
704         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
705       }
706       DT->eraseNode(ExitingBlock);
707
708       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
709       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
710       ExitingBlock->eraseFromParent();
711     }
712   }
713
714   return Changed;
715 }
716
717 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
718                         ScalarEvolution *SE, AssumptionCache *AC) {
719   bool Changed = false;
720
721   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
722   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
723   Worklist.push_back(L);
724
725   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
726   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
727   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
728   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
729     Loop *L2 = Worklist[Idx];
730     Worklist.append(L2->begin(), L2->end());
731   }
732
733   while (!Worklist.empty())
734     Changed |=
735         simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, DT, LI, SE, PP, AC);
736
737   return Changed;
738 }
739
740 namespace {
741   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
742     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
743     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
744       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
745     }
746
747     DominatorTree *DT;
748     LoopInfo *LI;
749     ScalarEvolution *SE;
750     AssumptionCache *AC;
751
752     bool runOnFunction(Function &F) override;
753
754     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
755       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
756
757       // We need loop information to identify the loops...
758       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
759       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
760
761       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
762       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
763
764       AU.addPreserved<BasicAAWrapperPass>();
765       AU.addPreserved<AAResultsWrapperPass>();
766       AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
767       AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
768       AU.addPreserved<SCEVAAWrapperPass>();
769       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
770       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
771     }
772
773     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
774     void verifyAnalysis() const override;
775   };
776 }
777
778 char LoopSimplify::ID = 0;
779 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
780                 "Canonicalize natural loops", false, false)
781 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
782 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
783 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
784 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BasicAAWrapperPass)
785 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
786 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(SCEVAAWrapperPass)
787 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
788                 "Canonicalize natural loops", false, false)
789
790 // Publicly exposed interface to pass...
791 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
792 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
793
794 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
795 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
796 ///
797 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
798   bool Changed = false;
799   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
800   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
801   auto *SEWP = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolutionWrapperPass>();
802   SE = SEWP ? &SEWP->getSE() : nullptr;
803   AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
804
805   // Simplify each loop nest in the function.
806   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
807     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, SE, AC);
808
809   return Changed;
810 }
811
812 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
813 // below.
814 #if 0
815 static void verifyLoop(Loop *L) {
816   // Verify subloops.
817   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
818     verifyLoop(*I);
819
820   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
821   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
822   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
823   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
824
825   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
826   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
827     bool HasIndBrPred = false;
828     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
829          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
830       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
831         HasIndBrPred = true;
832         break;
833       }
834     assert(HasIndBrPred &&
835            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
836     (void)HasIndBrPred;
837   }
838
839   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
840   if (!L->hasDedicatedExits()) {
841     bool HasIndBrExiting = false;
842     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
843     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
844     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
845       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
846         HasIndBrExiting = true;
847         break;
848       }
849     }
850
851     assert(HasIndBrExiting &&
852            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
853     (void)HasIndBrExiting;
854   }
855 }
856 #endif
857
858 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
859   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
860   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
861   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
862   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
863 #if 0
864   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
865     verifyLoop(*I);
866 #endif
867 }