Run LICM pass after loop unrolling pass.
[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 *BECount, 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 there are no
113   // iterations remaining to be executed after running the prologue.
114   Instruction *InsertPt = PrologEnd->getTerminator();
115
116   assert(Count != 0 && "nonsensical Count!");
117
118   // If BECount <u (Count - 1) then (BECount + 1) & (Count - 1) == (BECount + 1)
119   // (since Count is a power of 2).  This means %xtraiter is (BECount + 1) and
120   // and all of the iterations of this loop were executed by the prologue.  Note
121   // that if BECount <u (Count - 1) then (BECount + 1) cannot unsigned-overflow.
122   Instruction *BrLoopExit =
123     new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_ULT, BECount,
124                  ConstantInt::get(BECount->getType(), Count - 1));
125   BasicBlock *Exit = L->getUniqueExitBlock();
126   assert(Exit && "Loop must have a single exit block only");
127   // Split the exit to maintain loop canonicalization guarantees
128   SmallVector<BasicBlock*, 4> Preds(pred_begin(Exit), pred_end(Exit));
129   SplitBlockPredecessors(Exit, Preds, ".unr-lcssa", AA, DT, LI,
130                          P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID));
131   // Add the branch to the exit block (around the unrolled loop)
132   BranchInst::Create(Exit, NewPH, BrLoopExit, InsertPt);
133   InsertPt->eraseFromParent();
134 }
135
136 /// Create a clone of the blocks in a loop and connect them together.
137 /// If UnrollProlog is true, loop structure will not be cloned, otherwise a new
138 /// loop will be created including all cloned blocks, and the iterator of it
139 /// switches to count NewIter down to 0.
140 ///
141 static void CloneLoopBlocks(Loop *L, Value *NewIter, const bool UnrollProlog,
142                             BasicBlock *InsertTop, BasicBlock *InsertBot,
143                             std::vector<BasicBlock *> &NewBlocks,
144                             LoopBlocksDFS &LoopBlocks, ValueToValueMapTy &VMap,
145                             LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
146   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
147   BasicBlock *Header = L->getHeader();
148   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
149   Function *F = Header->getParent();
150   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockBegin = LoopBlocks.beginRPO();
151   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockEnd = LoopBlocks.endRPO();
152   Loop *NewLoop = 0;
153   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
154   if (!UnrollProlog) {
155     NewLoop = new Loop();
156     LPM->insertLoop(NewLoop, ParentLoop);
157   }
158
159   // For each block in the original loop, create a new copy,
160   // and update the value map with the newly created values.
161   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator BB = BlockBegin; BB != BlockEnd; ++BB) {
162     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(*BB, VMap, ".prol", F);
163     NewBlocks.push_back(NewBB);
164
165     if (NewLoop)
166       NewLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
167     else if (ParentLoop)
168       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
169
170     VMap[*BB] = NewBB;
171     if (Header == *BB) {
172       // For the first block, add a CFG connection to this newly
173       // created block.
174       InsertTop->getTerminator()->setSuccessor(0, NewBB);
175
176     }
177     if (Latch == *BB) {
178       // For the last block, if UnrollProlog is true, create a direct jump to
179       // InsertBot. If not, create a loop back to cloned head.
180       VMap.erase((*BB)->getTerminator());
181       BasicBlock *FirstLoopBB = cast<BasicBlock>(VMap[Header]);
182       BranchInst *LatchBR = cast<BranchInst>(NewBB->getTerminator());
183       if (UnrollProlog) {
184         LatchBR->eraseFromParent();
185         BranchInst::Create(InsertBot, NewBB);
186       } else {
187         PHINode *NewIdx = PHINode::Create(NewIter->getType(), 2, "prol.iter",
188                                           FirstLoopBB->getFirstNonPHI());
189         IRBuilder<> Builder(LatchBR);
190         Value *IdxSub =
191             Builder.CreateSub(NewIdx, ConstantInt::get(NewIdx->getType(), 1),
192                               NewIdx->getName() + ".sub");
193         Value *IdxCmp =
194             Builder.CreateIsNotNull(IdxSub, NewIdx->getName() + ".cmp");
195         BranchInst::Create(FirstLoopBB, InsertBot, IdxCmp, NewBB);
196         NewIdx->addIncoming(NewIter, InsertTop);
197         NewIdx->addIncoming(IdxSub, NewBB);
198         LatchBR->eraseFromParent();
199       }
200     }
201   }
202
203   // Change the incoming values to the ones defined in the preheader or
204   // cloned loop.
205   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
206     PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[I]);
207     if (UnrollProlog) {
208       VMap[I] = NewPHI->getIncomingValueForBlock(Preheader);
209       cast<BasicBlock>(VMap[Header])->getInstList().erase(NewPHI);
210     } else {
211       unsigned idx = NewPHI->getBasicBlockIndex(Preheader);
212       NewPHI->setIncomingBlock(idx, InsertTop);
213       BasicBlock *NewLatch = cast<BasicBlock>(VMap[Latch]);
214       idx = NewPHI->getBasicBlockIndex(Latch);
215       Value *InVal = NewPHI->getIncomingValue(idx);
216       NewPHI->setIncomingBlock(idx, NewLatch);
217       if (VMap[InVal])
218         NewPHI->setIncomingValue(idx, VMap[InVal]);
219     }
220   }
221   if (NewLoop) {
222     // Add unroll disable metadata to disable future unrolling for this loop.
223     SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
224     // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
225     MDs.push_back(nullptr);
226     MDNode *LoopID = NewLoop->getLoopID();
227     if (LoopID) {
228       // First remove any existing loop unrolling metadata.
229       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
230         bool IsUnrollMetadata = false;
231         MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
232         if (MD) {
233           const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
234           IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
235         }
236         if (!IsUnrollMetadata)
237           MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
238       }
239     }
240
241     LLVMContext &Context = NewLoop->getHeader()->getContext();
242     SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
243     DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
244     MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
245     MDs.push_back(DisableNode);
246
247     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
248     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
249     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
250     NewLoop->setLoopID(NewLoopID);
251   }
252 }
253
254 /// Insert code in the prolog code when unrolling a loop with a
255 /// run-time trip-count.
256 ///
257 /// This method assumes that the loop unroll factor is total number
258 /// of loop bodes in the loop after unrolling. (Some folks refer
259 /// to the unroll factor as the number of *extra* copies added).
260 /// We assume also that the loop unroll factor is a power-of-two. So, after
261 /// unrolling the loop, the number of loop bodies executed is 2,
262 /// 4, 8, etc.  Note - LLVM converts the if-then-sequence to a switch
263 /// instruction in SimplifyCFG.cpp.  Then, the backend decides how code for
264 /// the switch instruction is generated.
265 ///
266 ///        extraiters = tripcount % loopfactor
267 ///        if (extraiters == 0) jump Loop:
268 ///        else jump Prol
269 /// Prol:  LoopBody;
270 ///        extraiters -= 1                 // Omitted if unroll factor is 2.
271 ///        if (extraiters != 0) jump Prol: // Omitted if unroll factor is 2.
272 ///        if (tripcount < loopfactor) jump End
273 /// Loop:
274 /// ...
275 /// End:
276 ///
277 bool llvm::UnrollRuntimeLoopProlog(Loop *L, unsigned Count, LoopInfo *LI,
278                                    LPPassManager *LPM) {
279   // for now, only unroll loops that contain a single exit
280   if (!L->getExitingBlock())
281     return false;
282
283   // Make sure the loop is in canonical form, and there is a single
284   // exit block only.
285   if (!L->isLoopSimplifyForm() || !L->getUniqueExitBlock())
286     return false;
287
288   // Use Scalar Evolution to compute the trip count.  This allows more
289   // loops to be unrolled than relying on induction var simplification
290   if (!LPM)
291     return false;
292   ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
293   if (!SE)
294     return false;
295
296   // Only unroll loops with a computable trip count and the trip count needs
297   // to be an int value (allowing a pointer type is a TODO item)
298   const SCEV *BECountSC = SE->getBackedgeTakenCount(L);
299   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BECountSC) ||
300       !BECountSC->getType()->isIntegerTy())
301     return false;
302
303   unsigned BEWidth = cast<IntegerType>(BECountSC->getType())->getBitWidth();
304
305   // Add 1 since the backedge count doesn't include the first loop iteration
306   const SCEV *TripCountSC =
307     SE->getAddExpr(BECountSC, SE->getConstant(BECountSC->getType(), 1));
308   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(TripCountSC))
309     return false;
310
311   // We only handle cases when the unroll factor is a power of 2.
312   // Count is the loop unroll factor, the number of extra copies added + 1.
313   if (!isPowerOf2_32(Count))
314     return false;
315
316   // This constraint lets us deal with an overflowing trip count easily; see the
317   // comment on ModVal below.  This check is equivalent to `Log2(Count) <
318   // BEWidth`.
319   if (static_cast<uint64_t>(Count) > (1ULL << BEWidth))
320     return false;
321
322   // If this loop is nested, then the loop unroller changes the code in
323   // parent loop, so the Scalar Evolution pass needs to be run again
324   if (Loop *ParentLoop = L->getParentLoop())
325     SE->forgetLoop(ParentLoop);
326
327   // Grab analyses that we preserve.
328   auto *DTWP = LPM->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
329   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
330
331   BasicBlock *PH = L->getLoopPreheader();
332   BasicBlock *Header = L->getHeader();
333   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
334   // It helps to splits the original preheader twice, one for the end of the
335   // prolog code and one for a new loop preheader
336   BasicBlock *PEnd = SplitEdge(PH, Header, DT, LI);
337   BasicBlock *NewPH = SplitBlock(PEnd, PEnd->getTerminator(), DT, LI);
338   BranchInst *PreHeaderBR = cast<BranchInst>(PH->getTerminator());
339
340   // Compute the number of extra iterations required, which is:
341   //  extra iterations = run-time trip count % (loop unroll factor + 1)
342   SCEVExpander Expander(*SE, "loop-unroll");
343   Value *TripCount = Expander.expandCodeFor(TripCountSC, TripCountSC->getType(),
344                                             PreHeaderBR);
345   Value *BECount = Expander.expandCodeFor(BECountSC, BECountSC->getType(),
346                                           PreHeaderBR);
347
348   IRBuilder<> B(PreHeaderBR);
349   Value *ModVal = B.CreateAnd(TripCount, Count - 1, "xtraiter");
350
351   // If ModVal is zero, we know that either
352   //  1. there are no iteration to be run in the prologue loop
353   // OR
354   //  2. the addition computing TripCount overflowed
355   //
356   // If (2) is true, we know that TripCount really is (1 << BEWidth) and so the
357   // number of iterations that remain to be run in the original loop is a
358   // multiple Count == (1 << Log2(Count)) because Log2(Count) <= BEWidth (we
359   // explicitly check this above).
360
361   Value *BranchVal = B.CreateIsNotNull(ModVal, "lcmp.mod");
362
363   // Branch to either the extra iterations or the cloned/unrolled loop
364   // We will fix up the true branch label when adding loop body copies
365   BranchInst::Create(PEnd, PEnd, BranchVal, PreHeaderBR);
366   assert(PreHeaderBR->isUnconditional() &&
367          PreHeaderBR->getSuccessor(0) == PEnd &&
368          "CFG edges in Preheader are not correct");
369   PreHeaderBR->eraseFromParent();
370   Function *F = Header->getParent();
371   // Get an ordered list of blocks in the loop to help with the ordering of the
372   // cloned blocks in the prolog code
373   LoopBlocksDFS LoopBlocks(L);
374   LoopBlocks.perform(LI);
375
376   //
377   // For each extra loop iteration, create a copy of the loop's basic blocks
378   // and generate a condition that branches to the copy depending on the
379   // number of 'left over' iterations.
380   //
381   std::vector<BasicBlock *> NewBlocks;
382   ValueToValueMapTy VMap;
383
384   bool UnrollPrologue = Count == 2;
385
386   // Clone all the basic blocks in the loop. If Count is 2, we don't clone
387   // the loop, otherwise we create a cloned loop to execute the extra
388   // iterations. This function adds the appropriate CFG connections.
389   CloneLoopBlocks(L, ModVal, UnrollPrologue, PH, PEnd, NewBlocks, LoopBlocks,
390                   VMap, LI, LPM);
391
392   // Insert the cloned blocks into function just before the original loop
393   F->getBasicBlockList().splice(PEnd, F->getBasicBlockList(), NewBlocks[0],
394                                 F->end());
395
396   // Rewrite the cloned instruction operands to use the values
397   // created when the clone is created.
398   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i) {
399     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
400                               E = NewBlocks[i]->end();
401          I != E; ++I) {
402       RemapInstruction(I, VMap,
403                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingEntries);
404     }
405   }
406
407   // Connect the prolog code to the original loop and update the
408   // PHI functions.
409   BasicBlock *LastLoopBB = cast<BasicBlock>(VMap[Latch]);
410   ConnectProlog(L, BECount, Count, LastLoopBB, PEnd, PH, NewPH, VMap,
411                 /*AliasAnalysis*/ nullptr, DT, LI, LPM->getAsPass());
412   NumRuntimeUnrolled++;
413   return true;
414 }