include/llvm/Analysis/LoopInfo.h

   1 //===- llvm/Analysis/LoopInfo.h - Natural Loop Calculator -------*- C++ -*-===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
   6 // the University of Illinois Open Source 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.  Note that natural
  12 // loops may actually be several loops that share the same header node.
  13 //
  14 // This analysis calculates the nesting structure of loops in a function.  For
  15 // each natural loop identified, this analysis identifies natural loops
  16 // contained entirely within the loop and the basic blocks the make up the loop.
  17 //
  18 // It can calculate on the fly various bits of information, for example:
  19 //
  20 //  * whether there is a preheader for the loop
  21 //  * the number of back edges to the header
  22 //  * whether or not a particular block branches out of the loop
  23 //  * the successor blocks of the loop
  24 //  * the loop depth
  25 //  * the trip count
  26 //  * etc...
  27 //
  28 //===----------------------------------------------------------------------===//
  29
  30 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
  31 #define LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
  32
  33 #include "llvm/Pass.h"
  34 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
  35
  36 namespace llvm {
  37
  38 class ETForest;
  39 class LoopInfo;
  40 class PHINode;
  41 class Instruction;
  42
  43 //===----------------------------------------------------------------------===//
  44 /// Loop class - Instances of this class are used to represent loops that are
  45 /// detected in the flow graph
  46 ///
  47 class Loop {
  48   Loop *ParentLoop;
  49   std::vector<Loop*> SubLoops;       // Loops contained entirely within this one
  50   std::vector<BasicBlock*> Blocks;   // First entry is the header node
  51
  52   Loop(const Loop &);                  // DO NOT IMPLEMENT
  53   const Loop &operator=(const Loop &); // DO NOT IMPLEMENT
  54 public:
  55   /// Loop ctor - This creates an empty loop.
  56   Loop() : ParentLoop(0) {}
  57   ~Loop() {
  58     for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
  59       delete SubLoops[i];
  60   }
  61
  62   unsigned getLoopDepth() const {
  63     unsigned D = 0;
  64     for (const Loop *CurLoop = this; CurLoop; CurLoop = CurLoop->ParentLoop)
  65       ++D;
  66     return D;
  67   }
  68   BasicBlock *getHeader() const { return Blocks.front(); }
  69   Loop *getParentLoop() const { return ParentLoop; }
  70
  71   /// contains - Return true of the specified basic block is in this loop
  72   ///
  73   bool contains(const BasicBlock *BB) const;
  74
  75   /// iterator/begin/end - Return the loops contained entirely within this loop.
  76   ///
  77   const std::vector<Loop*> &getSubLoops() const { return SubLoops; }
  78   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
  79   iterator begin() const { return SubLoops.begin(); }
  80   iterator end() const { return SubLoops.end(); }
  81
  82   /// getBlocks - Get a list of the basic blocks which make up this loop.
  83   ///
  84   const std::vector<BasicBlock*> &getBlocks() const { return Blocks; }
  85   typedef std::vector<BasicBlock*>::const_iterator block_iterator;
  86   block_iterator block_begin() const { return Blocks.begin(); }
  87   block_iterator block_end() const { return Blocks.end(); }
  88
  89   /// isLoopExit - True if terminator in the block can branch to another block
  90   /// that is outside of the current loop.
  91   ///
  92   bool isLoopExit(const BasicBlock *BB) const;
  93
  94   /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header
  95   ///
  96   unsigned getNumBackEdges() const;
  97
  98   /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
  99   ///
 100   bool isLoopInvariant(Value *V) const;
 101
 102   //===--------------------------------------------------------------------===//
 103   // APIs for simple analysis of the loop.
 104   //
 105   // Note that all of these methods can fail on general loops (ie, there may not
 106   // be a preheader, etc).  For best success, the loop simplification and
 107   // induction variable canonicalization pass should be used to normalize loops
 108   // for easy analysis.  These methods assume canonical loops.
 109
 110   /// getExitingBlocks - Return all blocks inside the loop that have successors
 111   /// outside of the loop.  These are the blocks _inside of the current loop_
 112   /// which branch out.  The returned list is always unique.
 113   ///
 114   void getExitingBlocks(std::vector<BasicBlock*> &Blocks) const;
 115
 116   /// getExitBlocks - Return all of the successor blocks of this loop.  These
 117   /// are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
 118   ///
 119   void getExitBlocks(std::vector<BasicBlock*> &Blocks) const;
 120
 121   /// getUniqueExitBlocks - Return all unique successor blocks of this loop.
 122   /// These are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
 123   /// This assumes that loop is in canonical form.
 124   ///
 125   void getUniqueExitBlocks(std::vector<BasicBlock*> &ExitBlocks) const;
 126
 127   /// getLoopPreheader - If there is a preheader for this loop, return it.  A
 128   /// loop has a preheader if there is only one edge to the header of the loop
 129   /// from outside of the loop.  If this is the case, the block branching to the
 130   /// header of the loop is the preheader node.
 131   ///
 132   /// This method returns null if there is no preheader for the loop.
 133   ///
 134   BasicBlock *getLoopPreheader() const;
 135
 136   /// getLoopLatch - If there is a latch block for this loop, return it.  A
 137   /// latch block is the canonical backedge for a loop.  A loop header in normal
 138   /// form has two edges into it: one from a preheader and one from a latch
 139   /// block.
 140   BasicBlock *getLoopLatch() const;
 141
 142   /// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
 143   /// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
 144   /// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
 145   /// corresponds to it.
 146   ///
 147   PHINode *getCanonicalInductionVariable() const;
 148
 149   /// getCanonicalInductionVariableIncrement - Return the LLVM value that holds
 150   /// the canonical induction variable value for the "next" iteration of the
 151   /// loop.  This always succeeds if getCanonicalInductionVariable succeeds.
 152   ///
 153   Instruction *getCanonicalInductionVariableIncrement() const;
 154
 155   /// getTripCount - Return a loop-invariant LLVM value indicating the number of
 156   /// times the loop will be executed.  Note that this means that the backedge
 157   /// of the loop executes N-1 times.  If the trip-count cannot be determined,
 158   /// this returns null.
 159   ///
 160   Value *getTripCount() const;
 161
 162   /// isLCSSAForm - Return true if the Loop is in LCSSA form
 163   bool isLCSSAForm() const;
 164
 165   //===--------------------------------------------------------------------===//
 166   // APIs for updating loop information after changing the CFG
 167   //
 168
 169   /// addBasicBlockToLoop - This method is used by other analyses to update loop
 170   /// information.  NewBB is set to be a new member of the current loop.
 171   /// Because of this, it is added as a member of all parent loops, and is added
 172   /// to the specified LoopInfo object as being in the current basic block.  It
 173   /// is not valid to replace the loop header with this method.
 174   ///
 175   void addBasicBlockToLoop(BasicBlock *NewBB, LoopInfo &LI);
 176
 177   /// replaceChildLoopWith - This is used when splitting loops up.  It replaces
 178   /// the OldChild entry in our children list with NewChild, and updates the
 179   /// parent pointer of OldChild to be null and the NewChild to be this loop.
 180   /// This updates the loop depth of the new child.
 181   void replaceChildLoopWith(Loop *OldChild, Loop *NewChild);
 182
 183   /// addChildLoop - Add the specified loop to be a child of this loop.  This
 184   /// updates the loop depth of the new child.
 185   ///
 186   void addChildLoop(Loop *NewChild);
 187
 188   /// removeChildLoop - This removes the specified child from being a subloop of
 189   /// this loop.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted
 190   /// into another loop.
 191   Loop *removeChildLoop(iterator OldChild);
 192
 193   /// addBlockEntry - This adds a basic block directly to the basic block list.
 194   /// This should only be used by transformations that create new loops.  Other
 195   /// transformations should use addBasicBlockToLoop.
 196   void addBlockEntry(BasicBlock *BB) {
 197     Blocks.push_back(BB);
 198   }
 199
 200   /// moveToHeader - This method is used to move BB (which must be part of this
 201   /// loop) to be the loop header of the loop (the block that dominates all
 202   /// others).
 203   void moveToHeader(BasicBlock *BB) {
 204     if (Blocks[0] == BB) return;
 205     for (unsigned i = 0; ; ++i) {
 206       assert(i != Blocks.size() && "Loop does not contain BB!");
 207       if (Blocks[i] == BB) {
 208         Blocks[i] = Blocks[0];
 209         Blocks[0] = BB;
 210         return;
 211       }
 212     }
 213   }
 214
 215   /// removeBlockFromLoop - This removes the specified basic block from the
 216   /// current loop, updating the Blocks as appropriate.  This does not update
 217   /// the mapping in the LoopInfo class.
 218   void removeBlockFromLoop(BasicBlock *BB);
 219
 220   void print(std::ostream &O, unsigned Depth = 0) const;
 221   void dump() const;
 222 private:
 223   friend class LoopInfo;
 224   Loop(BasicBlock *BB) : ParentLoop(0) {
 225     Blocks.push_back(BB);
 226   }
 227 };
 228
 229
 230
 231 //===----------------------------------------------------------------------===//
 232 /// LoopInfo - This class builds and contains all of the top level loop
 233 /// structures in the specified function.
 234 ///
 235 class LoopInfo : public FunctionPass {
 236   // BBMap - Mapping of basic blocks to the inner most loop they occur in
 237   std::map<BasicBlock*, Loop*> BBMap;
 238   std::vector<Loop*> TopLevelLoops;
 239   friend class Loop;
 240 public:
 241   ~LoopInfo() { releaseMemory(); }
 242
 243   /// iterator/begin/end - The interface to the top-level loops in the current
 244   /// function.
 245   ///
 246   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
 247   iterator begin() const { return TopLevelLoops.begin(); }
 248   iterator end() const { return TopLevelLoops.end(); }
 249
 250   /// getLoopFor - Return the inner most loop that BB lives in.  If a basic
 251   /// block is in no loop (for example the entry node), null is returned.
 252   ///
 253   Loop *getLoopFor(const BasicBlock *BB) const {
 254     std::map<BasicBlock *, Loop*>::const_iterator I=
 255       BBMap.find(const_cast<BasicBlock*>(BB));
 256     return I != BBMap.end() ? I->second : 0;
 257   }
 258
 259   /// operator[] - same as getLoopFor...
 260   ///
 261   const Loop *operator[](const BasicBlock *BB) const {
 262     return getLoopFor(BB);
 263   }
 264
 265   /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block...
 266   ///
 267   unsigned getLoopDepth(const BasicBlock *BB) const {
 268     const Loop *L = getLoopFor(BB);
 269     return L ? L->getLoopDepth() : 0;
 270   }
 271
 272   // isLoopHeader - True if the block is a loop header node
 273   bool isLoopHeader(BasicBlock *BB) const {
 274     const Loop *L = getLoopFor(BB);
 275     return L && L->getHeader() == BB;
 276   }
 277
 278   /// runOnFunction - Calculate the natural loop information.
 279   ///
 280   virtual bool runOnFunction(Function &F);
 281
 282   virtual void releaseMemory();
 283   void print(std::ostream &O, const Module* = 0) const;
 284
 285   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
 286
 287   /// removeLoop - This removes the specified top-level loop from this loop info
 288   /// object.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted into
 289   /// another loop.
 290   Loop *removeLoop(iterator I);
 291
 292   /// changeLoopFor - Change the top-level loop that contains BB to the
 293   /// specified loop.  This should be used by transformations that restructure
 294   /// the loop hierarchy tree.
 295   void changeLoopFor(BasicBlock *BB, Loop *L);
 296
 297   /// changeTopLevelLoop - Replace the specified loop in the top-level loops
 298   /// list with the indicated loop.
 299   void changeTopLevelLoop(Loop *OldLoop, Loop *NewLoop);
 300
 301   /// addTopLevelLoop - This adds the specified loop to the collection of
 302   /// top-level loops.
 303   void addTopLevelLoop(Loop *New) {
 304     assert(New->getParentLoop() == 0 && "Loop already in subloop!");
 305     TopLevelLoops.push_back(New);
 306   }
 307
 308   /// removeBlock - This method completely removes BB from all data structures,
 309   /// including all of the Loop objects it is nested in and our mapping from
 310   /// BasicBlocks to loops.
 311   void removeBlock(BasicBlock *BB);
 312
 313 private:
 314   void Calculate(ETForest &EF);
 315   Loop *ConsiderForLoop(BasicBlock *BB, ETForest &EF);
 316   void MoveSiblingLoopInto(Loop *NewChild, Loop *NewParent);
 317   void InsertLoopInto(Loop *L, Loop *Parent);
 318 };
 319
 320
 321 // Allow clients to walk the list of nested loops...
 322 template <> struct GraphTraits<const Loop*> {
 323   typedef const Loop NodeType;
 324   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
 325
 326   static NodeType *getEntryNode(const Loop *L) { return L; }
 327   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
 328     return N->begin();
 329   }
 330   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
 331     return N->end();
 332   }
 333 };
 334
 335 template <> struct GraphTraits<Loop*> {
 336   typedef Loop NodeType;
 337   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
 338
 339   static NodeType *getEntryNode(Loop *L) { return L; }
 340   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
 341     return N->begin();
 342   }
 343   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
 344     return N->end();
 345   }
 346 };
 347
 348 } // End llvm namespace
 349
 350 // Make sure that any clients of this file link in LoopInfo.cpp
 351 FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(LoopInfo)
 352
 353 #endif