Introduce a new LoopInfo utility function makeLoopInvariant, which
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / LoopInfo.cpp
index 29558dab8b58700c02280d16f466ae562c7ccc5b..fb8027c14fdca8918636f77f87196c1aa24e431c 100644 (file)
@@ -1,4 +1,11 @@
-//===- LoopInfo.cpp - Natural Loop Calculator -------------------------------=//
+//===- LoopInfo.cpp - Natural Loop Calculator -----------------------------===//
+//
+//                     The LLVM Compiler Infrastructure
+//
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
+//===----------------------------------------------------------------------===//
 //
 // This file defines the LoopInfo class that is used to identify natural loops
 // and determine the loop depth of various nodes of the CFG.  Note that the
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
+#include "llvm/Constants.h"
+#include "llvm/Instructions.h"
 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
+#include "llvm/Assembly/Writer.h"
 #include "llvm/Support/CFG.h"
-#include "Support/DepthFirstIterator.h"
+#include "llvm/Support/Streams.h"
+#include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
 #include <algorithm>
+using namespace llvm;
 
-AnalysisID LoopInfo::ID(AnalysisID::create<LoopInfo>(), true);
+char LoopInfo::ID = 0;
+static RegisterPass<LoopInfo>
+X("loops", "Natural Loop Information", true, true);
 
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 // Loop implementation
 //
-bool Loop::contains(const BasicBlock *BB) const {
-  return find(Blocks.begin(), Blocks.end(), BB) != Blocks.end();
-}
 
-void LoopInfo::releaseMemory() {
-  for (std::vector<Loop*>::iterator I = TopLevelLoops.begin(),
-         E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I)
-    delete *I;   // Delete all of the loops...
+/// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
+///
+bool Loop::isLoopInvariant(Value *V) const {
+  if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
+    return isLoopInvariant(I);
+  return true;  // All non-instructions are loop invariant
+}
 
-  BBMap.clear();                             // Reset internal state of analysis
-  TopLevelLoops.clear();
+/// isLoopInvariant - Return true if the specified instruction is
+/// loop-invariant.
+///
+bool Loop::isLoopInvariant(Instruction *I) const {
+  return !contains(I->getParent());
 }
 
+/// makeLoopInvariant - If the given value is an instruciton inside of the
+/// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
+/// Return true if the value after any hoisting is loop invariant. This
+/// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
+/// isLoopInvariant.
+///
+/// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
+/// If null, the terminator of the loop preheader is used.
+///
+bool Loop::makeLoopInvariant(Value *V, Instruction *InsertPt) const {
+  if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
+    return makeLoopInvariant(I);
+  return true;  // All non-instructions are loop-invariant.
+}
 
-//===----------------------------------------------------------------------===//
-// LoopInfo implementation
-//
-bool LoopInfo::runOnFunction(Function *F) {
-  releaseMemory();
-  Calculate(getAnalysis<DominatorSet>());    // Update
-  return false;
+/// makeLoopInvariant - If the given instruction is inside of the
+/// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
+/// Return true if the instruction after any hoisting is loop invariant. This
+/// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
+/// isLoopInvariant.
+///
+/// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
+/// If null, the terminator of the loop preheader is used.
+///
+bool Loop::makeLoopInvariant(Instruction *I, Instruction *InsertPt) const {
+  // Test if the value is already loop-invariant.
+  if (isLoopInvariant(I))
+    return true;
+  // Don't hoist instructions with side-effects.
+  if (I->isTrapping())
+    return false;
+  // Don't hoist PHI nodes.
+  if (isa<PHINode>(I))
+    return false;
+  // Don't hoist allocation instructions.
+  if (isa<AllocationInst>(I))
+    return false;
+  // Determine the insertion point, unless one was given.
+  if (!InsertPt) {
+    BasicBlock *Preheader = getLoopPreheader();
+    // Without a preheader, hoisting is not feasible.
+    if (!Preheader)
+      return false;
+    InsertPt = Preheader->getTerminator();
+  }
+  // Don't hoist instructions with loop-variant operands.
+  for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
+    if (!makeLoopInvariant(I->getOperand(i), InsertPt))
+      return false;
+  // Hoist.
+  I->moveBefore(InsertPt);
+  return true;
 }
 
-void LoopInfo::Calculate(const DominatorSet &DS) {
-  BasicBlock *RootNode = DS.getRoot();
+/// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
+/// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
+/// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
+/// corresponds to it.
+///
+/// The IndVarSimplify pass transforms loops to have a canonical induction
+/// variable.
+///
+PHINode *Loop::getCanonicalInductionVariable() const {
+  BasicBlock *H = getHeader();
 
-  for (df_iterator<BasicBlock*> NI = df_begin(RootNode),
-        NE = df_end(RootNode); NI != NE; ++NI)
-    if (Loop *L = ConsiderForLoop(*NI, DS))
-      TopLevelLoops.push_back(L);
+  BasicBlock *Incoming = 0, *Backedge = 0;
+  typedef GraphTraits<Inverse<BasicBlock*> > InvBlockTraits;
+  InvBlockTraits::ChildIteratorType PI = InvBlockTraits::child_begin(H);
+  assert(PI != InvBlockTraits::child_end(H) &&
+         "Loop must have at least one backedge!");
+  Backedge = *PI++;
+  if (PI == InvBlockTraits::child_end(H)) return 0;  // dead loop
+  Incoming = *PI++;
+  if (PI != InvBlockTraits::child_end(H)) return 0;  // multiple backedges?
 
-  for (unsigned i = 0; i < TopLevelLoops.size(); ++i)
-    TopLevelLoops[i]->setLoopDepth(1);
+  if (contains(Incoming)) {
+    if (contains(Backedge))
+      return 0;
+    std::swap(Incoming, Backedge);
+  } else if (!contains(Backedge))
+    return 0;
+
+  // Loop over all of the PHI nodes, looking for a canonical indvar.
+  for (BasicBlock::iterator I = H->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
+    PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
+    if (ConstantInt *CI =
+        dyn_cast<ConstantInt>(PN->getIncomingValueForBlock(Incoming)))
+      if (CI->isNullValue())
+        if (Instruction *Inc =
+            dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(Backedge)))
+          if (Inc->getOpcode() == Instruction::Add &&
+                Inc->getOperand(0) == PN)
+            if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Inc->getOperand(1)))
+              if (CI->equalsInt(1))
+                return PN;
+  }
+  return 0;
 }
 
-void LoopInfo::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-  AU.setPreservesAll();
-  AU.addRequired(DominatorSet::ID);
-  AU.addProvided(ID);
+/// getCanonicalInductionVariableIncrement - Return the LLVM value that holds
+/// the canonical induction variable value for the "next" iteration of the
+/// loop.  This always succeeds if getCanonicalInductionVariable succeeds.
+///
+Instruction *Loop::getCanonicalInductionVariableIncrement() const {
+  if (PHINode *PN = getCanonicalInductionVariable()) {
+    bool P1InLoop = contains(PN->getIncomingBlock(1));
+    return cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(P1InLoop));
+  }
+  return 0;
 }
 
+/// getTripCount - Return a loop-invariant LLVM value indicating the number of
+/// times the loop will be executed.  Note that this means that the backedge
+/// of the loop executes N-1 times.  If the trip-count cannot be determined,
+/// this returns null.
+///
+/// The IndVarSimplify pass transforms loops to have a form that this
+/// function easily understands.
+///
+Value *Loop::getTripCount() const {
+  // Canonical loops will end with a 'cmp ne I, V', where I is the incremented
+  // canonical induction variable and V is the trip count of the loop.
+  Instruction *Inc = getCanonicalInductionVariableIncrement();
+  if (Inc == 0) return 0;
+  PHINode *IV = cast<PHINode>(Inc->getOperand(0));
 
-Loop *LoopInfo::ConsiderForLoop(BasicBlock *BB, const DominatorSet &DS) {
-  if (BBMap.find(BB) != BBMap.end()) return 0;   // Havn't processed this node?
+  BasicBlock *BackedgeBlock =
+    IV->getIncomingBlock(contains(IV->getIncomingBlock(1)));
 
-  std::vector<BasicBlock *> TodoStack;
+  if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(BackedgeBlock->getTerminator()))
+    if (BI->isConditional()) {
+      if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition())) {
+        if (ICI->getOperand(0) == Inc) {
+          if (BI->getSuccessor(0) == getHeader()) {
+            if (ICI->getPredicate() == ICmpInst::ICMP_NE)
+              return ICI->getOperand(1);
+          } else if (ICI->getPredicate() == ICmpInst::ICMP_EQ) {
+            return ICI->getOperand(1);
+          }
+        }
+      }
+    }
 
-  // Scan the predecessors of BB, checking to see if BB dominates any of
-  // them.
-  for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I)
-    if (DS.dominates(BB, *I))   // If BB dominates it's predecessor...
-      TodoStack.push_back(*I);
+  return 0;
+}
 
-  if (TodoStack.empty()) return 0;  // Doesn't dominate any predecessors...
+/// getSmallConstantTripCount - Returns the trip count of this loop as a
+/// normal unsigned value, if possible. Returns 0 if the trip count is unknown
+/// of not constant. Will also return 0 if the trip count is very large
+/// (>= 2^32)
+unsigned Loop::getSmallConstantTripCount() const {
+  Value* TripCount = this->getTripCount();
+  if (TripCount) {
+    if (ConstantInt *TripCountC = dyn_cast<ConstantInt>(TripCount)) {
+      // Guard against huge trip counts.
+      if (TripCountC->getValue().getActiveBits() <= 32) {
+        return (unsigned)TripCountC->getZExtValue();
+      }
+    }
+  }
+  return 0;
+}
 
-  // Create a new loop to represent this basic block...
-  Loop *L = new Loop(BB);
-  BBMap[BB] = L;
+/// getSmallConstantTripMultiple - Returns the largest constant divisor of the
+/// trip count of this loop as a normal unsigned value, if possible. This
+/// means that the actual trip count is always a multiple of the returned
+/// value (don't forget the trip count could very well be zero as well!).
+///
+/// Returns 1 if the trip count is unknown or not guaranteed to be the
+/// multiple of a constant (which is also the case if the trip count is simply
+/// constant, use getSmallConstantTripCount for that case), Will also return 1
+/// if the trip count is very large (>= 2^32).
+unsigned Loop::getSmallConstantTripMultiple() const {
+  Value* TripCount = this->getTripCount();
+  // This will hold the ConstantInt result, if any
+  ConstantInt *Result = NULL;
+  if (TripCount) {
+    // See if the trip count is constant itself
+    Result = dyn_cast<ConstantInt>(TripCount);
+    // if not, see if it is a multiplication
+    if (!Result)
+      if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(TripCount)) {
+        switch (BO->getOpcode()) {
+        case BinaryOperator::Mul:
+          Result = dyn_cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1));
+          break;
+        default:
+          break;
+        }
+      }
+  }
+  // Guard against huge trip counts.
+  if (Result && Result->getValue().getActiveBits() <= 32) {
+    return (unsigned)Result->getZExtValue();
+  } else {
+    return 1;
+  }
+}
 
-  while (!TodoStack.empty()) {  // Process all the nodes in the loop
-    BasicBlock *X = TodoStack.back();
-    TodoStack.pop_back();
+/// isLCSSAForm - Return true if the Loop is in LCSSA form
+bool Loop::isLCSSAForm() const {
+  // Sort the blocks vector so that we can use binary search to do quick
+  // lookups.
+  SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> LoopBBs(block_begin(), block_end());
 
-    if (!L->contains(X)) {                  // As of yet unprocessed??
-      L->Blocks.push_back(X);
+  for (block_iterator BI = block_begin(), E = block_end(); BI != E; ++BI) {
+    BasicBlock  *BB = *BI;
+    for (BasicBlock ::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;++I)
+      for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
+           ++UI) {
+        BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
+        if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(*UI)) {
+          UserBB = P->getIncomingBlock(UI);
+        }
 
-      // Add all of the predecessors of X to the end of the work stack...
-      TodoStack.insert(TodoStack.end(), pred_begin(X), pred_end(X));
-    }
+        // Check the current block, as a fast-path.  Most values are used in
+        // the same block they are defined in.
+        if (UserBB != BB && !LoopBBs.count(UserBB))
+          return false;
+      }
   }
 
-  // Add the basic blocks that comprise this loop to the BBMap so that this
-  // loop can be found for them.  Also check subsidary basic blocks to see if
-  // they start subloops of their own.
-  //
-  for (std::vector<BasicBlock*>::reverse_iterator I = L->Blocks.rbegin(),
-        E = L->Blocks.rend(); I != E; ++I) {
-
-    // Check to see if this block starts a new loop
-    if (Loop *NewLoop = ConsiderForLoop(*I, DS)) {
-      L->SubLoops.push_back(NewLoop);
-      NewLoop->ParentLoop = L;
-    }
-  
-    if (BBMap.find(*I) == BBMap.end())
-      BBMap.insert(std::make_pair(*I, L));
-  }
+  return true;
+}
+//===----------------------------------------------------------------------===//
+// LoopInfo implementation
+//
+bool LoopInfo::runOnFunction(Function &) {
+  releaseMemory();
+  LI.Calculate(getAnalysis<DominatorTree>().getBase());    // Update
+  return false;
+}
 
-  return L;
+void LoopInfo::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
+  AU.setPreservesAll();
+  AU.addRequired<DominatorTree>();
 }