include/llvm/Analysis/LoopInfo.h

   1 //===- llvm/Analysis/LoopInfo.h - Natural Loop Calculator -------*- C++ -*-===//
   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 defines the LoopInfo class that is used to identify natural loops
  11 // and determine the loop depth of various nodes of the CFG.  A natural loop
  12 // has exactly one entry-point, which is called the header. Note that natural
  13 // loops may actually be several loops that share the same header node.
  14 //
  15 // This analysis calculates the nesting structure of loops in a function.  For
  16 // each natural loop identified, this analysis identifies natural loops
  17 // contained entirely within the loop and the basic blocks the make up the loop.
  18 //
  19 // It can calculate on the fly various bits of information, for example:
  20 //
  21 //  * whether there is a preheader for the loop
  22 //  * the number of back edges to the header
  23 //  * whether or not a particular block branches out of the loop
  24 //  * the successor blocks of the loop
  25 //  * the loop depth
  26 //  * the trip count
  27 //  * etc...
  28 //
  29 //===----------------------------------------------------------------------===//
  30
  31 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
  32 #define LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
  33
  34 #include "llvm/Pass.h"
  35 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
  36 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
  37 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  38 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  39 #include "llvm/Support/CFG.h"
  40 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  41 #include <algorithm>
  42
  43 namespace llvm {
  44
  45 template<typename T>
  46 static void RemoveFromVector(std::vector<T*> &V, T *N) {
  47   typename std::vector<T*>::iterator I = std::find(V.begin(), V.end(), N);
  48   assert(I != V.end() && "N is not in this list!");
  49   V.erase(I);
  50 }
  51
  52 class DominatorTree;
  53 class LoopInfo;
  54 class Loop;
  55 template<class N, class M> class LoopInfoBase;
  56 template<class N, class M> class LoopBase;
  57
  58 //===----------------------------------------------------------------------===//
  59 /// LoopBase class - Instances of this class are used to represent loops that
  60 /// are detected in the flow graph
  61 ///
  62 template<class BlockT, class LoopT>
  63 class LoopBase {
  64   LoopT *ParentLoop;
  65   // SubLoops - Loops contained entirely within this one.
  66   std::vector<LoopT *> SubLoops;
  67
  68   // Blocks - The list of blocks in this loop.  First entry is the header node.
  69   std::vector<BlockT*> Blocks;
  70
  71   // DO NOT IMPLEMENT
  72   LoopBase(const LoopBase<BlockT, LoopT> &);
  73   // DO NOT IMPLEMENT
  74   const LoopBase<BlockT, LoopT>&operator=(const LoopBase<BlockT, LoopT> &);
  75 public:
  76   /// Loop ctor - This creates an empty loop.
  77   LoopBase() : ParentLoop(0) {}
  78   ~LoopBase() {
  79     for (size_t i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
  80       delete SubLoops[i];
  81   }
  82
  83   /// getLoopDepth - Return the nesting level of this loop.  An outer-most
  84   /// loop has depth 1, for consistency with loop depth values used for basic
  85   /// blocks, where depth 0 is used for blocks not inside any loops.
  86   unsigned getLoopDepth() const {
  87     unsigned D = 1;
  88     for (const LoopT *CurLoop = ParentLoop; CurLoop;
  89          CurLoop = CurLoop->ParentLoop)
  90       ++D;
  91     return D;
  92   }
  93   BlockT *getHeader() const { return Blocks.front(); }
  94   LoopT *getParentLoop() const { return ParentLoop; }
  95
  96   /// contains - Return true if the specified basic block is in this loop
  97   ///
  98   bool contains(const BlockT *BB) const {
  99     return std::find(block_begin(), block_end(), BB) != block_end();
 100   }
 101
 102   /// iterator/begin/end - Return the loops contained entirely within this loop.
 103   ///
 104   const std::vector<LoopT *> &getSubLoops() const { return SubLoops; }
 105   typedef typename std::vector<LoopT *>::const_iterator iterator;
 106   iterator begin() const { return SubLoops.begin(); }
 107   iterator end() const { return SubLoops.end(); }
 108   bool empty() const { return SubLoops.empty(); }
 109
 110   /// getBlocks - Get a list of the basic blocks which make up this loop.
 111   ///
 112   const std::vector<BlockT*> &getBlocks() const { return Blocks; }
 113   typedef typename std::vector<BlockT*>::const_iterator block_iterator;
 114   block_iterator block_begin() const { return Blocks.begin(); }
 115   block_iterator block_end() const { return Blocks.end(); }
 116
 117   /// isLoopExit - True if terminator in the block can branch to another block
 118   /// that is outside of the current loop.
 119   ///
 120   bool isLoopExit(const BlockT *BB) const {
 121     typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 122     for (typename BlockTraits::ChildIteratorType SI =
 123          BlockTraits::child_begin(const_cast<BlockT*>(BB)),
 124          SE = BlockTraits::child_end(const_cast<BlockT*>(BB)); SI != SE; ++SI) {
 125       if (!contains(*SI))
 126         return true;
 127     }
 128     return false;
 129   }
 130
 131   /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header
 132   ///
 133   unsigned getNumBackEdges() const {
 134     unsigned NumBackEdges = 0;
 135     BlockT *H = getHeader();
 136
 137     typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 138     for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType I =
 139          InvBlockTraits::child_begin(const_cast<BlockT*>(H)),
 140          E = InvBlockTraits::child_end(const_cast<BlockT*>(H)); I != E; ++I)
 141       if (contains(*I))
 142         ++NumBackEdges;
 143
 144     return NumBackEdges;
 145   }
 146
 147   //===--------------------------------------------------------------------===//
 148   // APIs for simple analysis of the loop.
 149   //
 150   // Note that all of these methods can fail on general loops (ie, there may not
 151   // be a preheader, etc).  For best success, the loop simplification and
 152   // induction variable canonicalization pass should be used to normalize loops
 153   // for easy analysis.  These methods assume canonical loops.
 154
 155   /// getExitingBlocks - Return all blocks inside the loop that have successors
 156   /// outside of the loop.  These are the blocks _inside of the current loop_
 157   /// which branch out.  The returned list is always unique.
 158   ///
 159   void getExitingBlocks(SmallVectorImpl<BlockT *> &ExitingBlocks) const {
 160     // Sort the blocks vector so that we can use binary search to do quick
 161     // lookups.
 162     SmallVector<BlockT*, 128> LoopBBs(block_begin(), block_end());
 163     std::sort(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end());
 164
 165     typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 166     for (block_iterator BI = block_begin(), BE = block_end(); BI != BE; ++BI)
 167       for (typename BlockTraits::ChildIteratorType I =
 168           BlockTraits::child_begin(*BI), E = BlockTraits::child_end(*BI);
 169           I != E; ++I)
 170         if (!std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *I)) {
 171           // Not in current loop? It must be an exit block.
 172           ExitingBlocks.push_back(*BI);
 173           break;
 174         }
 175   }
 176
 177   /// getExitingBlock - If getExitingBlocks would return exactly one block,
 178   /// return that block. Otherwise return null.
 179   BlockT *getExitingBlock() const {
 180     SmallVector<BlockT*, 8> ExitingBlocks;
 181     getExitingBlocks(ExitingBlocks);
 182     if (ExitingBlocks.size() == 1)
 183       return ExitingBlocks[0];
 184     return 0;
 185   }
 186
 187   /// getExitBlocks - Return all of the successor blocks of this loop.  These
 188   /// are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
 189   ///
 190   void getExitBlocks(SmallVectorImpl<BlockT*> &ExitBlocks) const {
 191     // Sort the blocks vector so that we can use binary search to do quick
 192     // lookups.
 193     SmallVector<BlockT*, 128> LoopBBs(block_begin(), block_end());
 194     std::sort(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end());
 195
 196     typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 197     for (block_iterator BI = block_begin(), BE = block_end(); BI != BE; ++BI)
 198       for (typename BlockTraits::ChildIteratorType I =
 199            BlockTraits::child_begin(*BI), E = BlockTraits::child_end(*BI);
 200            I != E; ++I)
 201         if (!std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *I))
 202           // Not in current loop? It must be an exit block.
 203           ExitBlocks.push_back(*I);
 204   }
 205
 206   /// getExitBlock - If getExitBlocks would return exactly one block,
 207   /// return that block. Otherwise return null.
 208   BlockT *getExitBlock() const {
 209     SmallVector<BlockT*, 8> ExitBlocks;
 210     getExitBlocks(ExitBlocks);
 211     if (ExitBlocks.size() == 1)
 212       return ExitBlocks[0];
 213     return 0;
 214   }
 215
 216   /// getExitEdges - Return all pairs of (_inside_block_,_outside_block_).
 217   typedef std::pair<const BlockT*,const BlockT*> Edge;
 218   void getExitEdges(SmallVectorImpl<Edge> &ExitEdges) const {
 219     // Sort the blocks vector so that we can use binary search to do quick
 220     // lookups.
 221     SmallVector<BlockT*, 128> LoopBBs(block_begin(), block_end());
 222     std::sort(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end());
 223
 224     typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 225     for (block_iterator BI = block_begin(), BE = block_end(); BI != BE; ++BI)
 226       for (typename BlockTraits::ChildIteratorType I =
 227            BlockTraits::child_begin(*BI), E = BlockTraits::child_end(*BI);
 228            I != E; ++I)
 229         if (!std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *I))
 230           // Not in current loop? It must be an exit block.
 231           ExitEdges.push_back(std::make_pair(*BI, *I));
 232   }
 233
 234   /// getLoopPreheader - If there is a preheader for this loop, return it.  A
 235   /// loop has a preheader if there is only one edge to the header of the loop
 236   /// from outside of the loop.  If this is the case, the block branching to the
 237   /// header of the loop is the preheader node.
 238   ///
 239   /// This method returns null if there is no preheader for the loop.
 240   ///
 241   BlockT *getLoopPreheader() const {
 242     // Keep track of nodes outside the loop branching to the header...
 243     BlockT *Out = 0;
 244
 245     // Loop over the predecessors of the header node...
 246     BlockT *Header = getHeader();
 247     typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 248     typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 249     for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType PI =
 250          InvBlockTraits::child_begin(Header),
 251          PE = InvBlockTraits::child_end(Header); PI != PE; ++PI)
 252       if (!contains(*PI)) {     // If the block is not in the loop...
 253         if (Out && Out != *PI)
 254           return 0;             // Multiple predecessors outside the loop
 255         Out = *PI;
 256       }
 257
 258     // Make sure there is only one exit out of the preheader.
 259     assert(Out && "Header of loop has no predecessors from outside loop?");
 260     typename BlockTraits::ChildIteratorType SI = BlockTraits::child_begin(Out);
 261     ++SI;
 262     if (SI != BlockTraits::child_end(Out))
 263       return 0;  // Multiple exits from the block, must not be a preheader.
 264
 265     // If there is exactly one preheader, return it.  If there was zero, then
 266     // Out is still null.
 267     return Out;
 268   }
 269
 270   /// getLoopLatch - If there is a single latch block for this loop, return it.
 271   /// A latch block is a block that contains a branch back to the header.
 272   /// A loop header in normal form has two edges into it: one from a preheader
 273   /// and one from a latch block.
 274   BlockT *getLoopLatch() const {
 275     BlockT *Header = getHeader();
 276     typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 277     typename InvBlockTraits::ChildIteratorType PI =
 278                                             InvBlockTraits::child_begin(Header);
 279     typename InvBlockTraits::ChildIteratorType PE =
 280                                               InvBlockTraits::child_end(Header);
 281     if (PI == PE) return 0;  // no preds?
 282
 283     BlockT *Latch = 0;
 284     if (contains(*PI))
 285       Latch = *PI;
 286     ++PI;
 287     if (PI == PE) return 0;  // only one pred?
 288
 289     if (contains(*PI)) {
 290       if (Latch) return 0;  // multiple backedges
 291       Latch = *PI;
 292     }
 293     ++PI;
 294     if (PI != PE) return 0;  // more than two preds
 295
 296     return Latch;
 297   }
 298
 299   //===--------------------------------------------------------------------===//
 300   // APIs for updating loop information after changing the CFG
 301   //
 302
 303   /// addBasicBlockToLoop - This method is used by other analyses to update loop
 304   /// information.  NewBB is set to be a new member of the current loop.
 305   /// Because of this, it is added as a member of all parent loops, and is added
 306   /// to the specified LoopInfo object as being in the current basic block.  It
 307   /// is not valid to replace the loop header with this method.
 308   ///
 309   void addBasicBlockToLoop(BlockT *NewBB, LoopInfoBase<BlockT, LoopT> &LI);
 310
 311   /// replaceChildLoopWith - This is used when splitting loops up.  It replaces
 312   /// the OldChild entry in our children list with NewChild, and updates the
 313   /// parent pointer of OldChild to be null and the NewChild to be this loop.
 314   /// This updates the loop depth of the new child.
 315   void replaceChildLoopWith(LoopT *OldChild,
 316                             LoopT *NewChild) {
 317     assert(OldChild->ParentLoop == this && "This loop is already broken!");
 318     assert(NewChild->ParentLoop == 0 && "NewChild already has a parent!");
 319     typename std::vector<LoopT *>::iterator I =
 320                           std::find(SubLoops.begin(), SubLoops.end(), OldChild);
 321     assert(I != SubLoops.end() && "OldChild not in loop!");
 322     *I = NewChild;
 323     OldChild->ParentLoop = 0;
 324     NewChild->ParentLoop = static_cast<LoopT *>(this);
 325   }
 326
 327   /// addChildLoop - Add the specified loop to be a child of this loop.  This
 328   /// updates the loop depth of the new child.
 329   ///
 330   void addChildLoop(LoopT *NewChild) {
 331     assert(NewChild->ParentLoop == 0 && "NewChild already has a parent!");
 332     NewChild->ParentLoop = static_cast<LoopT *>(this);
 333     SubLoops.push_back(NewChild);
 334   }
 335
 336   /// removeChildLoop - This removes the specified child from being a subloop of
 337   /// this loop.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted
 338   /// into another loop.
 339   LoopT *removeChildLoop(iterator I) {
 340     assert(I != SubLoops.end() && "Cannot remove end iterator!");
 341     LoopT *Child = *I;
 342     assert(Child->ParentLoop == this && "Child is not a child of this loop!");
 343     SubLoops.erase(SubLoops.begin()+(I-begin()));
 344     Child->ParentLoop = 0;
 345     return Child;
 346   }
 347
 348   /// addBlockEntry - This adds a basic block directly to the basic block list.
 349   /// This should only be used by transformations that create new loops.  Other
 350   /// transformations should use addBasicBlockToLoop.
 351   void addBlockEntry(BlockT *BB) {
 352     Blocks.push_back(BB);
 353   }
 354
 355   /// moveToHeader - This method is used to move BB (which must be part of this
 356   /// loop) to be the loop header of the loop (the block that dominates all
 357   /// others).
 358   void moveToHeader(BlockT *BB) {
 359     if (Blocks[0] == BB) return;
 360     for (unsigned i = 0; ; ++i) {
 361       assert(i != Blocks.size() && "Loop does not contain BB!");
 362       if (Blocks[i] == BB) {
 363         Blocks[i] = Blocks[0];
 364         Blocks[0] = BB;
 365         return;
 366       }
 367     }
 368   }
 369
 370   /// removeBlockFromLoop - This removes the specified basic block from the
 371   /// current loop, updating the Blocks as appropriate.  This does not update
 372   /// the mapping in the LoopInfo class.
 373   void removeBlockFromLoop(BlockT *BB) {
 374     RemoveFromVector(Blocks, BB);
 375   }
 376
 377   /// verifyLoop - Verify loop structure
 378   void verifyLoop() const {
 379 #ifndef NDEBUG
 380     assert(!Blocks.empty() && "Loop header is missing");
 381     assert(getHeader() && "Loop header is missing");
 382
 383     // Sort the blocks vector so that we can use binary search to do quick
 384     // lookups.
 385     SmallVector<BlockT*, 128> LoopBBs(block_begin(), block_end());
 386     std::sort(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end());
 387
 388     // Check the individual blocks.
 389     for (block_iterator I = block_begin(), E = block_end(); I != E; ++I) {
 390       BlockT *BB = *I;
 391       bool HasInsideLoopSuccs = false;
 392       bool HasInsideLoopPreds = false;
 393       SmallVector<BlockT *, 2> OutsideLoopPreds;
 394
 395       typedef GraphTraits<BlockT*> BlockTraits;
 396       for (typename BlockTraits::ChildIteratorType SI =
 397            BlockTraits::child_begin(BB), SE = BlockTraits::child_end(BB);
 398            SI != SE; ++SI)
 399         if (std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *SI)) {
 400           HasInsideLoopSuccs = true;
 401           break;
 402         }
 403       typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 404       for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType PI =
 405            InvBlockTraits::child_begin(BB), PE = InvBlockTraits::child_end(BB);
 406            PI != PE; ++PI) {
 407         if (std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *PI))
 408           HasInsideLoopPreds = true;
 409         else
 410           OutsideLoopPreds.push_back(*PI);
 411       }
 412
 413       if (BB == getHeader()) {
 414         assert(!OutsideLoopPreds.empty() && "Loop is unreachable!");
 415       } else if (!OutsideLoopPreds.empty()) {
 416         // A non-header loop shouldn't be reachable from outside the loop,
 417         // though it is permitted if the predecessor is not itself actually
 418         // reachable.
 419         BlockT *EntryBB = BB->getParent()->begin();
 420         for (df_iterator<BlockT *> NI = df_begin(EntryBB),
 421              NE = df_end(EntryBB); NI != NE; ++NI)
 422           for (unsigned i = 0, e = OutsideLoopPreds.size(); i != e; ++i)
 423             assert(*NI != OutsideLoopPreds[i] &&
 424                    "Loop has multiple entry points!");
 425       }
 426       assert(HasInsideLoopPreds && "Loop block has no in-loop predecessors!");
 427       assert(HasInsideLoopSuccs && "Loop block has no in-loop successors!");
 428       assert(BB != getHeader()->getParent()->begin() &&
 429              "Loop contains function entry block!");
 430     }
 431
 432     // Check the subloops.
 433     for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
 434       // Each block in each subloop should be contained within this loop.
 435       for (block_iterator BI = (*I)->block_begin(), BE = (*I)->block_end();
 436            BI != BE; ++BI) {
 437         assert(std::binary_search(LoopBBs.begin(), LoopBBs.end(), *BI) &&
 438                "Loop does not contain all the blocks of a subloop!");
 439       }
 440
 441     // Check the parent loop pointer.
 442     if (ParentLoop) {
 443       assert(std::find(ParentLoop->begin(), ParentLoop->end(), this) !=
 444                ParentLoop->end() &&
 445              "Loop is not a subloop of its parent!");
 446     }
 447 #endif
 448   }
 449
 450   /// verifyLoop - Verify loop structure of this loop and all nested loops.
 451   void verifyLoopNest() const {
 452     // Verify this loop.
 453     verifyLoop();
 454     // Verify the subloops.
 455     for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
 456       (*I)->verifyLoopNest();
 457   }
 458
 459   void print(raw_ostream &OS, unsigned Depth = 0) const {
 460     OS.indent(Depth*2) << "Loop at depth " << getLoopDepth()
 461        << " containing: ";
 462
 463     for (unsigned i = 0; i < getBlocks().size(); ++i) {
 464       if (i) OS << ",";
 465       BlockT *BB = getBlocks()[i];
 466       WriteAsOperand(OS, BB, false);
 467       if (BB == getHeader())    OS << "<header>";
 468       if (BB == getLoopLatch()) OS << "<latch>";
 469       if (isLoopExit(BB))       OS << "<exit>";
 470     }
 471     OS << "\n";
 472
 473     for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
 474       (*I)->print(OS, Depth+2);
 475   }
 476
 477   void dump() const {
 478     print(errs());
 479   }
 480
 481 protected:
 482   friend class LoopInfoBase<BlockT, LoopT>;
 483   explicit LoopBase(BlockT *BB) : ParentLoop(0) {
 484     Blocks.push_back(BB);
 485   }
 486 };
 487
 488 class Loop : public LoopBase<BasicBlock, Loop> {
 489 public:
 490   Loop() {}
 491
 492   /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
 493   ///
 494   bool isLoopInvariant(Value *V) const;
 495
 496   /// isLoopInvariant - Return true if the specified instruction is
 497   /// loop-invariant.
 498   ///
 499   bool isLoopInvariant(Instruction *I) const;
 500
 501   /// makeLoopInvariant - If the given value is an instruction inside of the
 502   /// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
 503   /// Return true if the value after any hoisting is loop invariant. This
 504   /// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
 505   /// isLoopInvariant.
 506   ///
 507   /// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
 508   /// If null, the terminator of the loop preheader is used.
 509   ///
 510   bool makeLoopInvariant(Value *V, bool &Changed,
 511                          Instruction *InsertPt = 0) const;
 512
 513   /// makeLoopInvariant - If the given instruction is inside of the
 514   /// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
 515   /// Return true if the instruction after any hoisting is loop invariant. This
 516   /// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
 517   /// isLoopInvariant.
 518   ///
 519   /// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
 520   /// If null, the terminator of the loop preheader is used.
 521   ///
 522   bool makeLoopInvariant(Instruction *I, bool &Changed,
 523                          Instruction *InsertPt = 0) const;
 524
 525   /// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
 526   /// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
 527   /// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
 528   /// corresponds to it.
 529   ///
 530   /// The IndVarSimplify pass transforms loops to have a canonical induction
 531   /// variable.
 532   ///
 533   PHINode *getCanonicalInductionVariable() const;
 534
 535   /// getCanonicalInductionVariableIncrement - Return the LLVM value that holds
 536   /// the canonical induction variable value for the "next" iteration of the
 537   /// loop.  This always succeeds if getCanonicalInductionVariable succeeds.
 538   ///
 539   Instruction *getCanonicalInductionVariableIncrement() const;
 540
 541   /// getTripCount - Return a loop-invariant LLVM value indicating the number of
 542   /// times the loop will be executed.  Note that this means that the backedge
 543   /// of the loop executes N-1 times.  If the trip-count cannot be determined,
 544   /// this returns null.
 545   ///
 546   /// The IndVarSimplify pass transforms loops to have a form that this
 547   /// function easily understands.
 548   ///
 549   Value *getTripCount() const;
 550
 551   /// getSmallConstantTripCount - Returns the trip count of this loop as a
 552   /// normal unsigned value, if possible. Returns 0 if the trip count is unknown
 553   /// of not constant. Will also return 0 if the trip count is very large
 554   /// (>= 2^32)
 555   unsigned getSmallConstantTripCount() const;
 556
 557   /// getSmallConstantTripMultiple - Returns the largest constant divisor of the
 558   /// trip count of this loop as a normal unsigned value, if possible. This
 559   /// means that the actual trip count is always a multiple of the returned
 560   /// value (don't forget the trip count could very well be zero as well!).
 561   ///
 562   /// Returns 1 if the trip count is unknown or not guaranteed to be the
 563   /// multiple of a constant (which is also the case if the trip count is simply
 564   /// constant, use getSmallConstantTripCount for that case), Will also return 1
 565   /// if the trip count is very large (>= 2^32).
 566   unsigned getSmallConstantTripMultiple() const;
 567
 568   /// isLCSSAForm - Return true if the Loop is in LCSSA form
 569   bool isLCSSAForm() const;
 570
 571   /// isLoopSimplifyForm - Return true if the Loop is in the form that
 572   /// the LoopSimplify form transforms loops to, which is sometimes called
 573   /// normal form.
 574   bool isLoopSimplifyForm() const;
 575
 576   /// getUniqueExitBlocks - Return all unique successor blocks of this loop.
 577   /// These are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
 578   /// This assumes that loop is in canonical form.
 579   ///
 580   void getUniqueExitBlocks(SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) const;
 581
 582   /// getUniqueExitBlock - If getUniqueExitBlocks would return exactly one
 583   /// block, return that block. Otherwise return null.
 584   BasicBlock *getUniqueExitBlock() const;
 585
 586 private:
 587   friend class LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>;
 588   explicit Loop(BasicBlock *BB) : LoopBase<BasicBlock, Loop>(BB) {}
 589 };
 590
 591 //===----------------------------------------------------------------------===//
 592 /// LoopInfo - This class builds and contains all of the top level loop
 593 /// structures in the specified function.
 594 ///
 595
 596 template<class BlockT, class LoopT>
 597 class LoopInfoBase {
 598   // BBMap - Mapping of basic blocks to the inner most loop they occur in
 599   std::map<BlockT *, LoopT *> BBMap;
 600   std::vector<LoopT *> TopLevelLoops;
 601   friend class LoopBase<BlockT, LoopT>;
 602
 603   void operator=(const LoopInfoBase &); // do not implement
 604   LoopInfoBase(const LoopInfo &);       // do not implement
 605 public:
 606   LoopInfoBase() { }
 607   ~LoopInfoBase() { releaseMemory(); }
 608
 609   void releaseMemory() {
 610     for (typename std::vector<LoopT *>::iterator I =
 611          TopLevelLoops.begin(), E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I)
 612       delete *I;   // Delete all of the loops...
 613
 614     BBMap.clear();                           // Reset internal state of analysis
 615     TopLevelLoops.clear();
 616   }
 617
 618   /// iterator/begin/end - The interface to the top-level loops in the current
 619   /// function.
 620   ///
 621   typedef typename std::vector<LoopT *>::const_iterator iterator;
 622   iterator begin() const { return TopLevelLoops.begin(); }
 623   iterator end() const { return TopLevelLoops.end(); }
 624   bool empty() const { return TopLevelLoops.empty(); }
 625
 626   /// getLoopFor - Return the inner most loop that BB lives in.  If a basic
 627   /// block is in no loop (for example the entry node), null is returned.
 628   ///
 629   LoopT *getLoopFor(const BlockT *BB) const {
 630     typename std::map<BlockT *, LoopT *>::const_iterator I=
 631       BBMap.find(const_cast<BlockT*>(BB));
 632     return I != BBMap.end() ? I->second : 0;
 633   }
 634
 635   /// operator[] - same as getLoopFor...
 636   ///
 637   const LoopT *operator[](const BlockT *BB) const {
 638     return getLoopFor(BB);
 639   }
 640
 641   /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block.  A
 642   /// depth of 0 means the block is not inside any loop.
 643   ///
 644   unsigned getLoopDepth(const BlockT *BB) const {
 645     const LoopT *L = getLoopFor(BB);
 646     return L ? L->getLoopDepth() : 0;
 647   }
 648
 649   // isLoopHeader - True if the block is a loop header node
 650   bool isLoopHeader(BlockT *BB) const {
 651     const LoopT *L = getLoopFor(BB);
 652     return L && L->getHeader() == BB;
 653   }
 654
 655   /// removeLoop - This removes the specified top-level loop from this loop info
 656   /// object.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted into
 657   /// another loop.
 658   LoopT *removeLoop(iterator I) {
 659     assert(I != end() && "Cannot remove end iterator!");
 660     LoopT *L = *I;
 661     assert(L->getParentLoop() == 0 && "Not a top-level loop!");
 662     TopLevelLoops.erase(TopLevelLoops.begin() + (I-begin()));
 663     return L;
 664   }
 665
 666   /// changeLoopFor - Change the top-level loop that contains BB to the
 667   /// specified loop.  This should be used by transformations that restructure
 668   /// the loop hierarchy tree.
 669   void changeLoopFor(BlockT *BB, LoopT *L) {
 670     LoopT *&OldLoop = BBMap[BB];
 671     assert(OldLoop && "Block not in a loop yet!");
 672     OldLoop = L;
 673   }
 674
 675   /// changeTopLevelLoop - Replace the specified loop in the top-level loops
 676   /// list with the indicated loop.
 677   void changeTopLevelLoop(LoopT *OldLoop,
 678                           LoopT *NewLoop) {
 679     typename std::vector<LoopT *>::iterator I =
 680                  std::find(TopLevelLoops.begin(), TopLevelLoops.end(), OldLoop);
 681     assert(I != TopLevelLoops.end() && "Old loop not at top level!");
 682     *I = NewLoop;
 683     assert(NewLoop->ParentLoop == 0 && OldLoop->ParentLoop == 0 &&
 684            "Loops already embedded into a subloop!");
 685   }
 686
 687   /// addTopLevelLoop - This adds the specified loop to the collection of
 688   /// top-level loops.
 689   void addTopLevelLoop(LoopT *New) {
 690     assert(New->getParentLoop() == 0 && "Loop already in subloop!");
 691     TopLevelLoops.push_back(New);
 692   }
 693
 694   /// removeBlock - This method completely removes BB from all data structures,
 695   /// including all of the Loop objects it is nested in and our mapping from
 696   /// BasicBlocks to loops.
 697   void removeBlock(BlockT *BB) {
 698     typename std::map<BlockT *, LoopT *>::iterator I = BBMap.find(BB);
 699     if (I != BBMap.end()) {
 700       for (LoopT *L = I->second; L; L = L->getParentLoop())
 701         L->removeBlockFromLoop(BB);
 702
 703       BBMap.erase(I);
 704     }
 705   }
 706
 707   // Internals
 708
 709   static bool isNotAlreadyContainedIn(const LoopT *SubLoop,
 710                                       const LoopT *ParentLoop) {
 711     if (SubLoop == 0) return true;
 712     if (SubLoop == ParentLoop) return false;
 713     return isNotAlreadyContainedIn(SubLoop->getParentLoop(), ParentLoop);
 714   }
 715
 716   void Calculate(DominatorTreeBase<BlockT> &DT) {
 717     BlockT *RootNode = DT.getRootNode()->getBlock();
 718
 719     for (df_iterator<BlockT*> NI = df_begin(RootNode),
 720            NE = df_end(RootNode); NI != NE; ++NI)
 721       if (LoopT *L = ConsiderForLoop(*NI, DT))
 722         TopLevelLoops.push_back(L);
 723   }
 724
 725   LoopT *ConsiderForLoop(BlockT *BB, DominatorTreeBase<BlockT> &DT) {
 726     if (BBMap.find(BB) != BBMap.end()) return 0;// Haven't processed this node?
 727
 728     std::vector<BlockT *> TodoStack;
 729
 730     // Scan the predecessors of BB, checking to see if BB dominates any of
 731     // them.  This identifies backedges which target this node...
 732     typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 733     for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType I =
 734          InvBlockTraits::child_begin(BB), E = InvBlockTraits::child_end(BB);
 735          I != E; ++I)
 736       if (DT.dominates(BB, *I))   // If BB dominates its predecessor...
 737         TodoStack.push_back(*I);
 738
 739     if (TodoStack.empty()) return 0;  // No backedges to this block...
 740
 741     // Create a new loop to represent this basic block...
 742     LoopT *L = new LoopT(BB);
 743     BBMap[BB] = L;
 744
 745     BlockT *EntryBlock = BB->getParent()->begin();
 746
 747     while (!TodoStack.empty()) {  // Process all the nodes in the loop
 748       BlockT *X = TodoStack.back();
 749       TodoStack.pop_back();
 750
 751       if (!L->contains(X) &&         // As of yet unprocessed??
 752           DT.dominates(EntryBlock, X)) {   // X is reachable from entry block?
 753         // Check to see if this block already belongs to a loop.  If this occurs
 754         // then we have a case where a loop that is supposed to be a child of
 755         // the current loop was processed before the current loop.  When this
 756         // occurs, this child loop gets added to a part of the current loop,
 757         // making it a sibling to the current loop.  We have to reparent this
 758         // loop.
 759         if (LoopT *SubLoop =
 760             const_cast<LoopT *>(getLoopFor(X)))
 761           if (SubLoop->getHeader() == X && isNotAlreadyContainedIn(SubLoop, L)){
 762             // Remove the subloop from its current parent...
 763             assert(SubLoop->ParentLoop && SubLoop->ParentLoop != L);
 764             LoopT *SLP = SubLoop->ParentLoop;  // SubLoopParent
 765             typename std::vector<LoopT *>::iterator I =
 766               std::find(SLP->SubLoops.begin(), SLP->SubLoops.end(), SubLoop);
 767             assert(I != SLP->SubLoops.end() &&"SubLoop not a child of parent?");
 768             SLP->SubLoops.erase(I);   // Remove from parent...
 769
 770             // Add the subloop to THIS loop...
 771             SubLoop->ParentLoop = L;
 772             L->SubLoops.push_back(SubLoop);
 773           }
 774
 775         // Normal case, add the block to our loop...
 776         L->Blocks.push_back(X);
 777
 778         typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
 779
 780         // Add all of the predecessors of X to the end of the work stack...
 781         TodoStack.insert(TodoStack.end(), InvBlockTraits::child_begin(X),
 782                          InvBlockTraits::child_end(X));
 783       }
 784     }
 785
 786     // If there are any loops nested within this loop, create them now!
 787     for (typename std::vector<BlockT*>::iterator I = L->Blocks.begin(),
 788          E = L->Blocks.end(); I != E; ++I)
 789       if (LoopT *NewLoop = ConsiderForLoop(*I, DT)) {
 790         L->SubLoops.push_back(NewLoop);
 791         NewLoop->ParentLoop = L;
 792       }
 793
 794     // Add the basic blocks that comprise this loop to the BBMap so that this
 795     // loop can be found for them.
 796     //
 797     for (typename std::vector<BlockT*>::iterator I = L->Blocks.begin(),
 798            E = L->Blocks.end(); I != E; ++I)
 799       BBMap.insert(std::make_pair(*I, L));
 800
 801     // Now that we have a list of all of the child loops of this loop, check to
 802     // see if any of them should actually be nested inside of each other.  We
 803     // can accidentally pull loops our of their parents, so we must make sure to
 804     // organize the loop nests correctly now.
 805     {
 806       std::map<BlockT *, LoopT *> ContainingLoops;
 807       for (unsigned i = 0; i != L->SubLoops.size(); ++i) {
 808         LoopT *Child = L->SubLoops[i];
 809         assert(Child->getParentLoop() == L && "Not proper child loop?");
 810
 811         if (LoopT *ContainingLoop = ContainingLoops[Child->getHeader()]) {
 812           // If there is already a loop which contains this loop, move this loop
 813           // into the containing loop.
 814           MoveSiblingLoopInto(Child, ContainingLoop);
 815           --i;  // The loop got removed from the SubLoops list.
 816         } else {
 817           // This is currently considered to be a top-level loop.  Check to see
 818           // if any of the contained blocks are loop headers for subloops we
 819           // have already processed.
 820           for (unsigned b = 0, e = Child->Blocks.size(); b != e; ++b) {
 821             LoopT *&BlockLoop = ContainingLoops[Child->Blocks[b]];
 822             if (BlockLoop == 0) {   // Child block not processed yet...
 823               BlockLoop = Child;
 824             } else if (BlockLoop != Child) {
 825               LoopT *SubLoop = BlockLoop;
 826               // Reparent all of the blocks which used to belong to BlockLoops
 827               for (unsigned j = 0, e = SubLoop->Blocks.size(); j != e; ++j)
 828                 ContainingLoops[SubLoop->Blocks[j]] = Child;
 829
 830               // There is already a loop which contains this block, that means
 831               // that we should reparent the loop which the block is currently
 832               // considered to belong to to be a child of this loop.
 833               MoveSiblingLoopInto(SubLoop, Child);
 834               --i;  // We just shrunk the SubLoops list.
 835             }
 836           }
 837         }
 838       }
 839     }
 840
 841     return L;
 842   }
 843
 844   /// MoveSiblingLoopInto - This method moves the NewChild loop to live inside
 845   /// of the NewParent Loop, instead of being a sibling of it.
 846   void MoveSiblingLoopInto(LoopT *NewChild,
 847                            LoopT *NewParent) {
 848     LoopT *OldParent = NewChild->getParentLoop();
 849     assert(OldParent && OldParent == NewParent->getParentLoop() &&
 850            NewChild != NewParent && "Not sibling loops!");
 851
 852     // Remove NewChild from being a child of OldParent
 853     typename std::vector<LoopT *>::iterator I =
 854       std::find(OldParent->SubLoops.begin(), OldParent->SubLoops.end(),
 855                 NewChild);
 856     assert(I != OldParent->SubLoops.end() && "Parent fields incorrect??");
 857     OldParent->SubLoops.erase(I);   // Remove from parent's subloops list
 858     NewChild->ParentLoop = 0;
 859
 860     InsertLoopInto(NewChild, NewParent);
 861   }
 862
 863   /// InsertLoopInto - This inserts loop L into the specified parent loop.  If
 864   /// the parent loop contains a loop which should contain L, the loop gets
 865   /// inserted into L instead.
 866   void InsertLoopInto(LoopT *L, LoopT *Parent) {
 867     BlockT *LHeader = L->getHeader();
 868     assert(Parent->contains(LHeader) &&
 869            "This loop should not be inserted here!");
 870
 871     // Check to see if it belongs in a child loop...
 872     for (unsigned i = 0, e = static_cast<unsigned>(Parent->SubLoops.size());
 873          i != e; ++i)
 874       if (Parent->SubLoops[i]->contains(LHeader)) {
 875         InsertLoopInto(L, Parent->SubLoops[i]);
 876         return;
 877       }
 878
 879     // If not, insert it here!
 880     Parent->SubLoops.push_back(L);
 881     L->ParentLoop = Parent;
 882   }
 883
 884   // Debugging
 885
 886   void print(raw_ostream &OS) const {
 887     for (unsigned i = 0; i < TopLevelLoops.size(); ++i)
 888       TopLevelLoops[i]->print(OS);
 889   #if 0
 890     for (std::map<BasicBlock*, LoopT*>::const_iterator I = BBMap.begin(),
 891            E = BBMap.end(); I != E; ++I)
 892       OS << "BB '" << I->first->getName() << "' level = "
 893          << I->second->getLoopDepth() << "\n";
 894   #endif
 895   }
 896 };
 897
 898 class LoopInfo : public FunctionPass {
 899   LoopInfoBase<BasicBlock, Loop> LI;
 900   friend class LoopBase<BasicBlock, Loop>;
 901
 902   void operator=(const LoopInfo &); // do not implement
 903   LoopInfo(const LoopInfo &);       // do not implement
 904 public:
 905   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 906
 907   LoopInfo() : FunctionPass(&ID) {}
 908
 909   LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>& getBase() { return LI; }
 910
 911   /// iterator/begin/end - The interface to the top-level loops in the current
 912   /// function.
 913   ///
 914   typedef LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>::iterator iterator;
 915   inline iterator begin() const { return LI.begin(); }
 916   inline iterator end() const { return LI.end(); }
 917   bool empty() const { return LI.empty(); }
 918
 919   /// getLoopFor - Return the inner most loop that BB lives in.  If a basic
 920   /// block is in no loop (for example the entry node), null is returned.
 921   ///
 922   inline Loop *getLoopFor(const BasicBlock *BB) const {
 923     return LI.getLoopFor(BB);
 924   }
 925
 926   /// operator[] - same as getLoopFor...
 927   ///
 928   inline const Loop *operator[](const BasicBlock *BB) const {
 929     return LI.getLoopFor(BB);
 930   }
 931
 932   /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block.  A
 933   /// depth of 0 means the block is not inside any loop.
 934   ///
 935   inline unsigned getLoopDepth(const BasicBlock *BB) const {
 936     return LI.getLoopDepth(BB);
 937   }
 938
 939   // isLoopHeader - True if the block is a loop header node
 940   inline bool isLoopHeader(BasicBlock *BB) const {
 941     return LI.isLoopHeader(BB);
 942   }
 943
 944   /// runOnFunction - Calculate the natural loop information.
 945   ///
 946   virtual bool runOnFunction(Function &F);
 947
 948   virtual void verifyAnalysis() const;
 949
 950   virtual void releaseMemory() { LI.releaseMemory(); }
 951
 952   virtual void print(raw_ostream &O, const Module* M = 0) const;
 953
 954   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
 955
 956   /// removeLoop - This removes the specified top-level loop from this loop info
 957   /// object.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted into
 958   /// another loop.
 959   inline Loop *removeLoop(iterator I) { return LI.removeLoop(I); }
 960
 961   /// changeLoopFor - Change the top-level loop that contains BB to the
 962   /// specified loop.  This should be used by transformations that restructure
 963   /// the loop hierarchy tree.
 964   inline void changeLoopFor(BasicBlock *BB, Loop *L) {
 965     LI.changeLoopFor(BB, L);
 966   }
 967
 968   /// changeTopLevelLoop - Replace the specified loop in the top-level loops
 969   /// list with the indicated loop.
 970   inline void changeTopLevelLoop(Loop *OldLoop, Loop *NewLoop) {
 971     LI.changeTopLevelLoop(OldLoop, NewLoop);
 972   }
 973
 974   /// addTopLevelLoop - This adds the specified loop to the collection of
 975   /// top-level loops.
 976   inline void addTopLevelLoop(Loop *New) {
 977     LI.addTopLevelLoop(New);
 978   }
 979
 980   /// removeBlock - This method completely removes BB from all data structures,
 981   /// including all of the Loop objects it is nested in and our mapping from
 982   /// BasicBlocks to loops.
 983   void removeBlock(BasicBlock *BB) {
 984     LI.removeBlock(BB);
 985   }
 986
 987   static bool isNotAlreadyContainedIn(const Loop *SubLoop,
 988                                       const Loop *ParentLoop) {
 989     return
 990       LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>::isNotAlreadyContainedIn(SubLoop,
 991                                                               ParentLoop);
 992   }
 993 };
 994
 995
 996 // Allow clients to walk the list of nested loops...
 997 template <> struct GraphTraits<const Loop*> {
 998   typedef const Loop NodeType;
 999   typedef LoopInfo::iterator ChildIteratorType;
1000
1001   static NodeType *getEntryNode(const Loop *L) { return L; }
1002   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
1003     return N->begin();
1004   }
1005   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
1006     return N->end();
1007   }
1008 };
1009
1010 template <> struct GraphTraits<Loop*> {
1011   typedef Loop NodeType;
1012   typedef LoopInfo::iterator ChildIteratorType;
1013
1014   static NodeType *getEntryNode(Loop *L) { return L; }
1015   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
1016     return N->begin();
1017   }
1018   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
1019     return N->end();
1020   }
1021 };
1022
1023 template<class BlockT, class LoopT>
1024 void
1025 LoopBase<BlockT, LoopT>::addBasicBlockToLoop(BlockT *NewBB,
1026                                              LoopInfoBase<BlockT, LoopT> &LIB) {
1027   assert((Blocks.empty() || LIB[getHeader()] == this) &&
1028          "Incorrect LI specified for this loop!");
1029   assert(NewBB && "Cannot add a null basic block to the loop!");
1030   assert(LIB[NewBB] == 0 && "BasicBlock already in the loop!");
1031
1032   LoopT *L = static_cast<LoopT *>(this);
1033
1034   // Add the loop mapping to the LoopInfo object...
1035   LIB.BBMap[NewBB] = L;
1036
1037   // Add the basic block to this loop and all parent loops...
1038   while (L) {
1039     L->Blocks.push_back(NewBB);
1040     L = L->getParentLoop();
1041   }
1042 }
1043
1044 } // End llvm namespace
1045
1046 #endif