Reformat.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopUnrollRuntime.cpp
1 //===-- UnrollLoopRuntime.cpp - Runtime Loop unrolling utilities ----------===//
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 file implements some loop unrolling utilities for loops with run-time
11 // trip counts.  See LoopUnroll.cpp for unrolling loops with compile-time
12 // trip counts.
13 //
14 // The functions in this file are used to generate extra code when the
15 // run-time trip count modulo the unroll factor is not 0.  When this is the
16 // case, we need to generate code to execute these 'left over' iterations.
17 //
18 // The current strategy generates an if-then-else sequence prior to the
19 // unrolled loop to execute the 'left over' iterations.  Other strategies
20 // include generate a loop before or after the unrolled loop.
21 //
22 //===----------------------------------------------------------------------===//
23
24 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
25 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
26 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
27 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
28 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
29 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
30 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
31 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
32 #include "llvm/IR/Dominators.h"
33 #include "llvm/IR/Metadata.h"
34 #include "llvm/Support/Debug.h"
35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
36 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
37 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
38 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
39 #include <algorithm>
40
41 using namespace llvm;
42
43 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
44
45 STATISTIC(NumRuntimeUnrolled,
46           "Number of loops unrolled with run-time trip counts");
47
48 /// Connect the unrolling prolog code to the original loop.
49 /// The unrolling prolog code contains code to execute the
50 /// 'extra' iterations if the run-time trip count modulo the
51 /// unroll count is non-zero.
52 ///
53 /// This function performs the following:
54 /// - Create PHI nodes at prolog end block to combine values
55 ///   that exit the prolog code and jump around the prolog.
56 /// - Add a PHI operand to a PHI node at the loop exit block
57 ///   for values that exit the prolog and go around the loop.
58 /// - Branch around the original loop if the trip count is less
59 ///   than the unroll factor.
60 ///
61 static void ConnectProlog(Loop *L, Value *TripCount, unsigned Count,
62                           BasicBlock *LastPrologBB, BasicBlock *PrologEnd,
63                           BasicBlock *OrigPH, BasicBlock *NewPH,
64                           ValueToValueMapTy &VMap, AliasAnalysis *AA,
65                           DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *P) {
66   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
67   assert(Latch && "Loop must have a latch");
68
69   // Create a PHI node for each outgoing value from the original loop
70   // (which means it is an outgoing value from the prolog code too).
71   // The new PHI node is inserted in the prolog end basic block.
72   // The new PHI name is added as an operand of a PHI node in either
73   // the loop header or the loop exit block.
74   for (succ_iterator SBI = succ_begin(Latch), SBE = succ_end(Latch);
75        SBI != SBE; ++SBI) {
76     for (BasicBlock::iterator BBI = (*SBI)->begin();
77          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
78
79       // Add a new PHI node to the prolog end block and add the
80       // appropriate incoming values.
81       PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), 2, PN->getName()+".unr",
82                                        PrologEnd->getTerminator());
83       // Adding a value to the new PHI node from the original loop preheader.
84       // This is the value that skips all the prolog code.
85       if (L->contains(PN)) {
86         NewPN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(NewPH), OrigPH);
87       } else {
88         NewPN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), OrigPH);
89       }
90
91       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(Latch);
92       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
93         if (L->contains(I)) {
94           V = VMap[I];
95         }
96       }
97       // Adding a value to the new PHI node from the last prolog block
98       // that was created.
99       NewPN->addIncoming(V, LastPrologBB);
100
101       // Update the existing PHI node operand with the value from the
102       // new PHI node.  How this is done depends on if the existing
103       // PHI node is in the original loop block, or the exit block.
104       if (L->contains(PN)) {
105         PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(NewPH), NewPN);
106       } else {
107         PN->addIncoming(NewPN, PrologEnd);
108       }
109     }
110   }
111
112   // Create a branch around the orignal loop, which is taken if the
113   // trip count is less than the unroll factor.
114   Instruction *InsertPt = PrologEnd->getTerminator();
115   Instruction *BrLoopExit =
116     new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_ULT, TripCount,
117                  ConstantInt::get(TripCount->getType(), Count));
118   BasicBlock *Exit = L->getUniqueExitBlock();
119   assert(Exit && "Loop must have a single exit block only");
120   // Split the exit to maintain loop canonicalization guarantees
121   SmallVector<BasicBlock*, 4> Preds(pred_begin(Exit), pred_end(Exit));
122   SplitBlockPredecessors(Exit, Preds, ".unr-lcssa", AA, DT, LI,
123                          P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID));
124   // Add the branch to the exit block (around the unrolled loop)
125   BranchInst::Create(Exit, NewPH, BrLoopExit, InsertPt);
126   InsertPt->eraseFromParent();
127 }
128
129 /// Create a clone of the blocks in a loop and connect them together.
130 /// If UnrollProlog is true, loop structure will not be cloned, otherwise a new
131 /// loop will be created including all cloned blocks, and the iterator of it
132 /// switches to count NewIter down to 0.
133 ///
134 static void CloneLoopBlocks(Loop *L, Value *NewIter, const bool UnrollProlog,
135                             BasicBlock *InsertTop, BasicBlock *InsertBot,
136                             std::vector<BasicBlock *> &NewBlocks,
137                             LoopBlocksDFS &LoopBlocks, ValueToValueMapTy &VMap,
138                             LoopInfo *LI) {
139   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
140   BasicBlock *Header = L->getHeader();
141   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
142   Function *F = Header->getParent();
143   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockBegin = LoopBlocks.beginRPO();
144   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockEnd = LoopBlocks.endRPO();
145   Loop *NewLoop = 0;
146   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
147   if (!UnrollProlog) {
148     NewLoop = new Loop();
149     if (ParentLoop)
150       ParentLoop->addChildLoop(NewLoop);
151     else
152       LI->addTopLevelLoop(NewLoop);
153   }
154
155   // For each block in the original loop, create a new copy,
156   // and update the value map with the newly created values.
157   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator BB = BlockBegin; BB != BlockEnd; ++BB) {
158     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(*BB, VMap, ".prol", F);
159     NewBlocks.push_back(NewBB);
160
161     if (NewLoop)
162       NewLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
163     else if (ParentLoop)
164       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
165
166     VMap[*BB] = NewBB;
167     if (Header == *BB) {
168       // For the first block, add a CFG connection to this newly
169       // created block.
170       InsertTop->getTerminator()->setSuccessor(0, NewBB);
171
172     }
173     if (Latch == *BB) {
174       // For the last block, if UnrollProlog is true, create a direct jump to
175       // InsertBot. If not, create a loop back to cloned head.
176       VMap.erase((*BB)->getTerminator());
177       BasicBlock *FirstLoopBB = cast<BasicBlock>(VMap[Header]);
178       BranchInst *LatchBR = cast<BranchInst>(NewBB->getTerminator());
179       if (UnrollProlog) {
180         LatchBR->eraseFromParent();
181         BranchInst::Create(InsertBot, NewBB);
182       } else {
183         PHINode *NewIdx = PHINode::Create(NewIter->getType(), 2, "prol.iter",
184                                           FirstLoopBB->getFirstNonPHI());
185         IRBuilder<> Builder(LatchBR);
186         Value *IdxSub =
187             Builder.CreateSub(NewIdx, ConstantInt::get(NewIdx->getType(), 1),
188                               NewIdx->getName() + ".sub");
189         Value *IdxCmp =
190             Builder.CreateIsNotNull(IdxSub, NewIdx->getName() + ".cmp");
191         BranchInst::Create(FirstLoopBB, InsertBot, IdxCmp, NewBB);
192         NewIdx->addIncoming(NewIter, InsertTop);
193         NewIdx->addIncoming(IdxSub, NewBB);
194         LatchBR->eraseFromParent();
195       }
196     }
197   }
198
199   // Change the incoming values to the ones defined in the preheader or
200   // cloned loop.
201   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
202     PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[I]);
203     if (UnrollProlog) {
204       VMap[I] = NewPHI->getIncomingValueForBlock(Preheader);
205       cast<BasicBlock>(VMap[Header])->getInstList().erase(NewPHI);
206     } else {
207       unsigned idx = NewPHI->getBasicBlockIndex(Preheader);
208       NewPHI->setIncomingBlock(idx, InsertTop);
209       BasicBlock *NewLatch = cast<BasicBlock>(VMap[Latch]);
210       idx = NewPHI->getBasicBlockIndex(Latch);
211       Value *InVal = NewPHI->getIncomingValue(idx);
212       NewPHI->setIncomingBlock(idx, NewLatch);
213       if (VMap[InVal])
214         NewPHI->setIncomingValue(idx, VMap[InVal]);
215     }
216   }
217   if (NewLoop) {
218     // Add unroll disable metadata to disable future unrolling for this loop.
219     SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
220     // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
221     MDs.push_back(nullptr);
222     MDNode *LoopID = NewLoop->getLoopID();
223     if (LoopID) {
224       // First remove any existing loop unrolling metadata.
225       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
226         bool IsUnrollMetadata = false;
227         MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
228         if (MD) {
229           const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
230           IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
231         }
232         if (!IsUnrollMetadata)
233           MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
234       }
235     }
236
237     LLVMContext &Context = NewLoop->getHeader()->getContext();
238     SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
239     DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
240     MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
241     MDs.push_back(DisableNode);
242
243     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
244     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
245     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
246     NewLoop->setLoopID(NewLoopID);
247   }
248 }
249
250 /// Insert code in the prolog code when unrolling a loop with a
251 /// run-time trip-count.
252 ///
253 /// This method assumes that the loop unroll factor is total number
254 /// of loop bodes in the loop after unrolling. (Some folks refer
255 /// to the unroll factor as the number of *extra* copies added).
256 /// We assume also that the loop unroll factor is a power-of-two. So, after
257 /// unrolling the loop, the number of loop bodies executed is 2,
258 /// 4, 8, etc.  Note - LLVM converts the if-then-sequence to a switch
259 /// instruction in SimplifyCFG.cpp.  Then, the backend decides how code for
260 /// the switch instruction is generated.
261 ///
262 ///        extraiters = tripcount % loopfactor
263 ///        if (extraiters == 0) jump Loop:
264 ///        else jump Prol
265 /// Prol:  LoopBody;
266 ///        extraiters -= 1                 // Omitted if unroll factor is 2.
267 ///        if (extraiters != 0) jump Prol: // Omitted if unroll factor is 2.
268 ///        if (tripcount < loopfactor) jump End
269 /// Loop:
270 /// ...
271 /// End:
272 ///
273 bool llvm::UnrollRuntimeLoopProlog(Loop *L, unsigned Count, LoopInfo *LI,
274                                    LPPassManager *LPM) {
275   // for now, only unroll loops that contain a single exit
276   if (!L->getExitingBlock())
277     return false;
278
279   // Make sure the loop is in canonical form, and there is a single
280   // exit block only.
281   if (!L->isLoopSimplifyForm() || !L->getUniqueExitBlock())
282     return false;
283
284   // Use Scalar Evolution to compute the trip count.  This allows more
285   // loops to be unrolled than relying on induction var simplification
286   if (!LPM)
287     return false;
288   ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
289   if (!SE)
290     return false;
291
292   // Only unroll loops with a computable trip count and the trip count needs
293   // to be an int value (allowing a pointer type is a TODO item)
294   const SCEV *BECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
295   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BECount) || !BECount->getType()->isIntegerTy())
296     return false;
297
298   // If BECount is INT_MAX, we can't compute trip-count without overflow.
299   if (BECount->isAllOnesValue())
300     return false;
301
302   // Add 1 since the backedge count doesn't include the first loop iteration
303   const SCEV *TripCountSC =
304     SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(BECount->getType(), 1));
305   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(TripCountSC))
306     return false;
307
308   // We only handle cases when the unroll factor is a power of 2.
309   // Count is the loop unroll factor, the number of extra copies added + 1.
310   if ((Count & (Count-1)) != 0)
311     return false;
312
313   // If this loop is nested, then the loop unroller changes the code in
314   // parent loop, so the Scalar Evolution pass needs to be run again
315   if (Loop *ParentLoop = L->getParentLoop())
316     SE->forgetLoop(ParentLoop);
317
318   // Grab analyses that we preserve.
319   auto *DTWP = LPM->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
320   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
321
322   BasicBlock *PH = L->getLoopPreheader();
323   BasicBlock *Header = L->getHeader();
324   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
325   // It helps to splits the original preheader twice, one for the end of the
326   // prolog code and one for a new loop preheader
327   BasicBlock *PEnd = SplitEdge(PH, Header, DT, LI);
328   BasicBlock *NewPH = SplitBlock(PEnd, PEnd->getTerminator(), DT, LI);
329   BranchInst *PreHeaderBR = cast<BranchInst>(PH->getTerminator());
330
331   // Compute the number of extra iterations required, which is:
332   //  extra iterations = run-time trip count % (loop unroll factor + 1)
333   SCEVExpander Expander(*SE, "loop-unroll");
334   Value *TripCount = Expander.expandCodeFor(TripCountSC, TripCountSC->getType(),
335                                             PreHeaderBR);
336
337   IRBuilder<> B(PreHeaderBR);
338   Value *ModVal = B.CreateAnd(TripCount, Count - 1, "xtraiter");
339
340   // Check if for no extra iterations, then jump to cloned/unrolled loop.
341   // We have to check that the trip count computation didn't overflow when
342   // adding one to the backedge taken count.
343   Value *LCmp = B.CreateIsNotNull(ModVal, "lcmp.mod");
344   Value *OverflowCheck = B.CreateIsNull(TripCount, "lcmp.overflow");
345   Value *BranchVal = B.CreateOr(OverflowCheck, LCmp, "lcmp.or");
346
347   // Branch to either the extra iterations or the cloned/unrolled loop
348   // We will fix up the true branch label when adding loop body copies
349   BranchInst::Create(PEnd, PEnd, BranchVal, PreHeaderBR);
350   assert(PreHeaderBR->isUnconditional() &&
351          PreHeaderBR->getSuccessor(0) == PEnd &&
352          "CFG edges in Preheader are not correct");
353   PreHeaderBR->eraseFromParent();
354   Function *F = Header->getParent();
355   // Get an ordered list of blocks in the loop to help with the ordering of the
356   // cloned blocks in the prolog code
357   LoopBlocksDFS LoopBlocks(L);
358   LoopBlocks.perform(LI);
359
360   //
361   // For each extra loop iteration, create a copy of the loop's basic blocks
362   // and generate a condition that branches to the copy depending on the
363   // number of 'left over' iterations.
364   //
365   std::vector<BasicBlock *> NewBlocks;
366   ValueToValueMapTy VMap;
367
368   // If unroll count is 2 and we can't overflow in tripcount computation (which
369   // is BECount + 1), then we don't need a loop for prologue, and we can unroll
370   // it. We can be sure that we don't overflow only if tripcount is a constant.
371   bool UnrollPrologue = (Count == 2 && isa<ConstantInt>(TripCount));
372
373   // Clone all the basic blocks in the loop. If Count is 2, we don't clone
374   // the loop, otherwise we create a cloned loop to execute the extra
375   // iterations. This function adds the appropriate CFG connections.
376   CloneLoopBlocks(L, ModVal, UnrollPrologue, PH, PEnd, NewBlocks, LoopBlocks,
377                   VMap, LI);
378
379   // Insert the cloned blocks into function just before the original loop
380   F->getBasicBlockList().splice(PEnd, F->getBasicBlockList(), NewBlocks[0],
381                                 F->end());
382
383   // Rewrite the cloned instruction operands to use the values
384   // created when the clone is created.
385   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i) {
386     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
387                               E = NewBlocks[i]->end();
388          I != E; ++I) {
389       RemapInstruction(I, VMap,
390                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingEntries);
391     }
392   }
393
394   // Connect the prolog code to the original loop and update the
395   // PHI functions.
396   BasicBlock *LastLoopBB = cast<BasicBlock>(VMap[Latch]);
397   ConnectProlog(L, TripCount, Count, LastLoopBB, PEnd, PH, NewPH, VMap,
398                 /*AliasAnalysis*/ nullptr, DT, LI, LPM->getAsPass());
399   NumRuntimeUnrolled++;
400   return true;
401 }