start of some new simplification code, not thoroughly tested, use at your own
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
index a4da2501f9f0bb529ed25b29dac52b5c37ad7a14..9f493b5912c40e3d02763a37076ff1d04dba1bda 100644 (file)
@@ -49,6 +49,8 @@ namespace {
   Statistic<> NumSelects ("loop-unswitch", "Number of selects unswitched");
   Statistic<> NumTrivial ("loop-unswitch",
                           "Number of unswitches that are trivial");
+  Statistic<> NumSimplify("loop-unswitch", 
+                          "Number of simplifications of unswitched code");
   cl::opt<unsigned>
   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
             cl::init(10), cl::Hidden);
@@ -75,10 +77,11 @@ namespace {
     void VersionLoop(Value *LIC, Constant *OnVal,
                      Loop *L, Loop *&Out1, Loop *&Out2);
     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
+    BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,Constant *Val,
                                               bool isEqual);
     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
-                                  BasicBlock *ExitBlock);
+                                  bool EntersWhenTrue, BasicBlock *ExitBlock);
   };
   RegisterOpt<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
 }
@@ -123,26 +126,50 @@ static bool LoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
   return false;
 }
 
-/// FindTrivialLoopExitBlock - We know that we have a branch from the loop
-/// header to the specified latch block.   See if one of the successors of the
-/// latch block is an exit, and if so what block it is.
-static BasicBlock *FindTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Latch) {
+/// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
+///   1. Exit the loop with no side effects.
+///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
+///
+/// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
+/// exit through.
+///
+static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
+                                         BasicBlock *&ExitBB,
+                                         std::set<BasicBlock*> &Visited) {
   BasicBlock *Header = L->getHeader();
-  BranchInst *LatchBranch = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
-  if (!LatchBranch || !LatchBranch->isConditional()) return 0;
-  
-  // Simple case, the latch block is a conditional branch.  The target that
-  // doesn't go to the loop header is our block if it is not in the loop.
-  if (LatchBranch->getSuccessor(0) == Header) {
-    if (L->contains(LatchBranch->getSuccessor(1))) return false;
-    return LatchBranch->getSuccessor(1);
-  } else {
-    assert(LatchBranch->getSuccessor(1) == Header);
-    if (L->contains(LatchBranch->getSuccessor(0))) return false;
-    return LatchBranch->getSuccessor(0);
+  for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
+    if (!Visited.insert(*SI).second) {
+      // Already visited and Ok, end of recursion.
+    } else if (L->contains(*SI)) {
+      // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
+      if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
+        return false;
+    } else {
+      // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
+      // first exit.
+      if (ExitBB != 0) return false;
+      ExitBB = *SI;
+    }
   }
+
+  // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
+  // doesn't include any side effects.
+  for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
+    if (I->mayWriteToMemory())
+      return false;
+  
+  return true;
 }
 
+static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
+  std::set<BasicBlock*> Visited;
+  Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
+  Visited.insert(BB);              // Don't revisit BB after we do.
+  BasicBlock *ExitBB = 0;
+  if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
+    return ExitBB;
+  return 0;
+}
 
 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
@@ -155,43 +182,57 @@ static BasicBlock *FindTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Latch) {
 /// condition is false.  Otherwise, return null to indicate a complex condition.
 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond,
                                        Constant **Val = 0,
+                                       bool *EntersWhenTrue = 0,
                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
   BasicBlock *Header = L->getHeader();
-  BranchInst *HeaderTerm = dyn_cast<BranchInst>(Header->getTerminator());
-  
-  // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we can't
-  // handle it.
-  if (!HeaderTerm || !HeaderTerm->isConditional() ||
-      HeaderTerm->getCondition() != Cond)
-    return false;
+  TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
+
+  BasicBlock *LoopExitBB = 0;
+  if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
+    // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
+    // can't handle it.
+    if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
+      return false;
   
-  // Check to see if the conditional branch goes to the latch block.  If not,
-  // it's not trivial.  This also determines the value of Cond that will execute
-  // the loop.
-  BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
-  if (HeaderTerm->getSuccessor(1) == Latch) {
-    if (Val) *Val = ConstantBool::True;
-  } else if (HeaderTerm->getSuccessor(0) == Latch)
-    if (Val) *Val = ConstantBool::False;
-  else
-    return false;  // Doesn't branch to latch block.
+    // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
+    // latch block or exit through a one exit block without having any 
+    // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
+    // this.
+    if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
+      if (Val) *Val = ConstantBool::False;
+    } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
+      if (Val) *Val = ConstantBool::True;
+    }
+  } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
+    // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
+    if (SI->getCondition() != Cond) return false;
+    
+    // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
+    // latch block or exit through a one exit block without having any 
+    // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
+    // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
+    for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
+      if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
+        // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
+        if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
+        if (EntersWhenTrue) *EntersWhenTrue = false;
+        break;
+      }
+  }
+
+  if (!LoopExitBB)
+    return false;   // Can't handle this.
   
-  // The latch block must end with a conditional branch where one edge goes to
-  // the header (this much we know) and one edge goes OUT of the loop.
-  BasicBlock *LoopExitBlock = FindTrivialLoopExitBlock(L, Latch);
-  if (!LoopExitBlock) return 0;
-  if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBlock;
+  if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
   
   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
-  // part of the loop that the code *would* execute.
+  // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
+  // tail, check the header now.
   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
     if (I->mayWriteToMemory())
       return false;
-  for (BasicBlock::iterator I = Latch->begin(), E = Latch->end(); I != E; ++I)
-    if (I->mayWriteToMemory())
-      return false;
   return true;
 }
 
@@ -334,9 +375,11 @@ bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
   // duplication), do it now.
   Constant *CondVal;
+  bool EntersWhenTrue = true;
   BasicBlock *ExitBlock;
-  if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)){
-    UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
+  if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal,
+                                 &EntersWhenTrue, &ExitBlock)) {
+    UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, EntersWhenTrue, ExitBlock);
     NewLoop1 = L;
   } else {
     VersionLoop(LoopCond, Val, L, NewLoop1, NewLoop2);
@@ -350,6 +393,25 @@ bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
   return true;
 }
 
+/// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
+/// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
+/// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
+/// the loop info is updated.
+///
+BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
+  BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
+  while (isa<PHINode>(SplitIt))
+    ++SplitIt;
+  BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
+
+  // The new block lives in whichever loop the old one did.
+  if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
+    L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
+  
+  return New;
+}
+
+
 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
   unsigned SuccNum = 0;
@@ -367,30 +429,19 @@ BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
 
   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
   // single pred.  Split the block.
-  BasicBlock *BlockToSplit;
   BasicBlock::iterator SplitPoint;
   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
     // block.
     assert(SP == BB && "CFG broken");
-    BlockToSplit = Succ;
-    SplitPoint = Succ->begin();
+    return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
   } else {
     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
     // block.
     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
            "Should have a single succ!"); 
-    BlockToSplit = BB;
-    SplitPoint = BB->getTerminator();
+    return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
   }
-
-  BasicBlock *New =
-    BlockToSplit->splitBasicBlock(SplitPoint, 
-                                  BlockToSplit->getName()+".tail");
-  // New now lives in whichever loop that BB used to.
-  if (Loop *L = LI->getLoopFor(BlockToSplit))
-    L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
-  return New;
 }
   
 
@@ -460,12 +511,13 @@ static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
-                                            Constant *Val,
+                                            Constant *Val, bool EntersWhenTrue,
                                             BasicBlock *ExitBlock) {
   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
-        << " on cond:" << *Cond << "\n");
+        << " on cond: " << *Val << (EntersWhenTrue ? " == " : " != ") << 
+        *Cond << "\n");
   
   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
@@ -477,21 +529,27 @@ void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond,
   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
   // short-circuit to.
   
-  // Split this edge now, so that the loop maintains its exit block.
+  // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
+  // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
+  // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
+  // loop header, not the preheader).
   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
-  BasicBlock *NewExit = SplitEdge(L->getLoopLatch(), ExitBlock);
-  assert(NewExit != ExitBlock && "Edge not split!");
+  BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
     
   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
   // insert the new conditional branch.
-  EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewPH, NewExit, 
-                                 OrigPH->getTerminator());
+  {
+    BasicBlock *TrueDest = NewPH, *FalseDest = NewExit;
+    if (!EntersWhenTrue) std::swap(TrueDest, FalseDest);
+    EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, TrueDest, FalseDest, 
+                                   OrigPH->getTerminator());
+  }
   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
 
   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
   // at least eliminate the old branch.
-  RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, true);
+  RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, EntersWhenTrue);
   ++NumTrivial;
 }
 
@@ -621,6 +679,42 @@ void LoopUnswitch::VersionLoop(Value *LIC, Constant *Val, Loop *L,
   Out2 = NewLoop;
 }
 
+/// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
+/// specified.
+static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
+                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
+  std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
+                                                     Worklist.end(), I);
+  while (WI != Worklist.end()) {
+    unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
+    Worklist.erase(WI);
+    WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
+  }
+}
+
+/// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
+/// program, replacing all uses with V and update the worklist.
+static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
+                              std::vector<Instruction*> &Worklist) {
+  DEBUG(std::cerr << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
+
+  // Add uses to the worklist, which may be dead now.
+  for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
+    if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
+      Worklist.push_back(Use);
+
+  // Add users to the worklist which may be simplified now.
+  for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
+       UI != E; ++UI)
+    Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
+  I->replaceAllUsesWith(V);
+  I->eraseFromParent();
+  RemoveFromWorklist(I, Worklist);
+  ++NumSimplify;
+}
+
+
+
 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
@@ -644,31 +738,143 @@ void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
   // selects, switches.
   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
+
+  std::vector<Instruction*> Worklist;
   
-  // Haha, this loop could be unswitched.  Get it? The unswitch pass could
-  // unswitch itself. Amazing.
-  for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
-    if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]))
-      if (L->contains(U->getParent()))
-        if (IsEqual) {
-          U->replaceUsesOfWith(LIC, Val);
-        } else if (NotVal) {
-          U->replaceUsesOfWith(LIC, NotVal);
-        } else {
-          // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
-          if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
-            for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
-              if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
-                // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
-                // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
-                // be in the Users list.
-                SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
-                SI->removeCase(i);
-                break;
-              }
+  // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
+  // in the loop with the appropriate one directly.
+  if (IsEqual || NotVal) {
+    Value *Replacement = NotVal ? NotVal : Val;
+    
+    for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
+      if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
+        if (!L->contains(U->getParent()))
+          continue;
+        U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
+        Worklist.push_back(U);
+      }
+  } else {
+    // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
+    // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
+    // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
+    for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
+      if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
+        if (!L->contains(U->getParent()))
+          continue;
+
+        Worklist.push_back(U);
+
+        // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
+        if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
+          for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
+            if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
+              // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
+              // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
+              // be in the Users list.
+              SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
+              SI->removeCase(i);
+              break;
             }
           }
-
-          // TODO: We could simplify stuff like X == C.
         }
+        
+        // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
+        // LIC == Val -> false.
+      }
+  }
+    
+  // Okay, now that we have simplified some instructions in the loop, walk over
+  // it and constant prop, dce, and fold control flow where possible.  Note that
+  // this is effectively a very simple loop-structure-aware optimizer.
+  while (!Worklist.empty()) {
+    Instruction *I = Worklist.back();
+    Worklist.pop_back();
+    
+    // Simple constant folding.
+    if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
+      ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
+      continue;
+    }
+    
+    // Simple DCE.
+    if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
+      DEBUG(std::cerr << "Remove dead instruction '" << *I);
+      
+      // Add uses to the worklist, which may be dead now.
+      for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
+        if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
+          Worklist.push_back(Use);
+      I->eraseFromParent();
+      RemoveFromWorklist(I, Worklist);
+      ++NumSimplify;
+      continue;
+    }
+    
+    // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
+    switch (I->getOpcode()) {
+    case Instruction::Select:
+      if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(0))) {
+        ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getValue()+1), Worklist);
+        continue;
+      }
+      break;
+    case Instruction::And:
+      if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
+        cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
+      if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
+        if (CB->getValue())   // X & 1 -> X
+          ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
+        else                  // X & 0 -> 0
+          ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
+        continue;
+      }
+      break;
+    case Instruction::Or:
+      if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
+        cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
+      if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
+        if (CB->getValue())   // X | 1 -> 1
+          ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
+        else                  // X | 0 -> X
+          ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
+        continue;
+      }
+      break;
+    case Instruction::Br: {
+      BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
+      if (BI->isUnconditional()) {
+        // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
+        // together.
+        BasicBlock *Pred = BI->getParent();
+        BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
+        BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
+        if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
+        assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
+
+        DEBUG(std::cerr << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
+                        << Succ->getName() << "\n");
+        
+        // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
+        while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
+          ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
+        
+        // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
+        Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
+                                   Succ->end());
+        BI->eraseFromParent();
+        RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
+        
+        // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
+        // entries coming from Pred instead of Succ.
+        Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
+        
+        // Remove Succ from the loop tree.
+        LI->removeBlock(Succ);
+        Succ->eraseFromParent();
+        break;
+      }
+      break;
+    }
+    }
+  }
 }