lib/Analysis/BranchProbabilityInfo.cpp

   1 //===-- BranchProbabilityInfo.cpp - Branch Probability Analysis -*- 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 // Loops should be simplified before this analysis.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #include "llvm/Constants.h"
  15 #include "llvm/Function.h"
  16 #include "llvm/Instructions.h"
  17 #include "llvm/LLVMContext.h"
  18 #include "llvm/Metadata.h"
  19 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
  20 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  21 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
  22 #include "llvm/Support/CFG.h"
  23 #include "llvm/Support/Debug.h"
  24
  25 using namespace llvm;
  26
  27 INITIALIZE_PASS_BEGIN(BranchProbabilityInfo, "branch-prob",
  28                       "Branch Probability Analysis", false, true)
  29 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
  30 INITIALIZE_PASS_END(BranchProbabilityInfo, "branch-prob",
  31                     "Branch Probability Analysis", false, true)
  32
  33 char BranchProbabilityInfo::ID = 0;
  34
  35 // Weights are for internal use only. They are used by heuristics to help to
  36 // estimate edges' probability. Example:
  37 //
  38 // Using "Loop Branch Heuristics" we predict weights of edges for the
  39 // block BB2.
  40 //         ...
  41 //          |
  42 //          V
  43 //         BB1<-+
  44 //          |   |
  45 //          |   | (Weight = 124)
  46 //          V   |
  47 //         BB2--+
  48 //          |
  49 //          | (Weight = 4)
  50 //          V
  51 //         BB3
  52 //
  53 // Probability of the edge BB2->BB1 = 124 / (124 + 4) = 0.96875
  54 // Probability of the edge BB2->BB3 = 4 / (124 + 4) = 0.03125
  55 static const uint32_t LBH_TAKEN_WEIGHT = 124;
  56 static const uint32_t LBH_NONTAKEN_WEIGHT = 4;
  57
  58 /// \brief Unreachable-terminating branch taken weight.
  59 ///
  60 /// This is the weight for a branch being taken to a block that terminates
  61 /// (eventually) in unreachable. These are predicted as unlikely as possible.
  62 static const uint32_t UR_TAKEN_WEIGHT = 1;
  63
  64 /// \brief Unreachable-terminating branch not-taken weight.
  65 ///
  66 /// This is the weight for a branch not being taken toward a block that
  67 /// terminates (eventually) in unreachable. Such a branch is essentially never
  68 /// taken.
  69 static const uint32_t UR_NONTAKEN_WEIGHT = 1023;
  70
  71 static const uint32_t PH_TAKEN_WEIGHT = 20;
  72 static const uint32_t PH_NONTAKEN_WEIGHT = 12;
  73
  74 static const uint32_t ZH_TAKEN_WEIGHT = 20;
  75 static const uint32_t ZH_NONTAKEN_WEIGHT = 12;
  76
  77 static const uint32_t FPH_TAKEN_WEIGHT = 20;
  78 static const uint32_t FPH_NONTAKEN_WEIGHT = 12;
  79
  80 // Standard weight value. Used when none of the heuristics set weight for
  81 // the edge.
  82 static const uint32_t NORMAL_WEIGHT = 16;
  83
  84 // Minimum weight of an edge. Please note, that weight is NEVER 0.
  85 static const uint32_t MIN_WEIGHT = 1;
  86
  87 static uint32_t getMaxWeightFor(BasicBlock *BB) {
  88   return UINT32_MAX / BB->getTerminator()->getNumSuccessors();
  89 }
  90
  91
  92 /// \brief Calculate edge weights for successors lead to unreachable.
  93 ///
  94 /// Predict that a successor which leads necessarily to an
  95 /// unreachable-terminated block as extremely unlikely.
  96 bool BranchProbabilityInfo::calcUnreachableHeuristics(BasicBlock *BB) {
  97   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
  98   if (TI->getNumSuccessors() == 0) {
  99     if (isa<UnreachableInst>(TI))
 100       PostDominatedByUnreachable.insert(BB);
 101     return false;
 102   }
 103
 104   SmallPtrSet<BasicBlock *, 4> UnreachableEdges;
 105   SmallPtrSet<BasicBlock *, 4> ReachableEdges;
 106
 107   for (succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); I != E; ++I) {
 108     if (PostDominatedByUnreachable.count(*I))
 109       UnreachableEdges.insert(*I);
 110     else
 111       ReachableEdges.insert(*I);
 112   }
 113
 114   // If all successors are in the set of blocks post-dominated by unreachable,
 115   // this block is too.
 116   if (UnreachableEdges.size() == TI->getNumSuccessors())
 117     PostDominatedByUnreachable.insert(BB);
 118
 119   // Skip probabilities if this block has a single successor or if all were
 120   // reachable.
 121   if (TI->getNumSuccessors() == 1 || UnreachableEdges.empty())
 122     return false;
 123
 124   uint32_t UnreachableWeight =
 125     std::max(UR_TAKEN_WEIGHT / UnreachableEdges.size(), MIN_WEIGHT);
 126   for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 4>::iterator I = UnreachableEdges.begin(),
 127                                               E = UnreachableEdges.end();
 128        I != E; ++I)
 129     setEdgeWeight(BB, *I, UnreachableWeight);
 130
 131   if (ReachableEdges.empty())
 132     return true;
 133   uint32_t ReachableWeight =
 134     std::max(UR_NONTAKEN_WEIGHT / ReachableEdges.size(), NORMAL_WEIGHT);
 135   for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 4>::iterator I = ReachableEdges.begin(),
 136                                               E = ReachableEdges.end();
 137        I != E; ++I)
 138     setEdgeWeight(BB, *I, ReachableWeight);
 139
 140   return true;
 141 }
 142
 143 // Propagate existing explicit probabilities from either profile data or
 144 // 'expect' intrinsic processing.
 145 bool BranchProbabilityInfo::calcMetadataWeights(BasicBlock *BB) {
 146   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
 147   if (TI->getNumSuccessors() == 1)
 148     return false;
 149   if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
 150     return false;
 151
 152   MDNode *WeightsNode = TI->getMetadata(LLVMContext::MD_prof);
 153   if (!WeightsNode)
 154     return false;
 155
 156   // Ensure there are weights for all of the successors. Note that the first
 157   // operand to the metadata node is a name, not a weight.
 158   if (WeightsNode->getNumOperands() != TI->getNumSuccessors() + 1)
 159     return false;
 160
 161   // Build up the final weights that will be used in a temporary buffer, but
 162   // don't add them until all weihts are present. Each weight value is clamped
 163   // to [1, getMaxWeightFor(BB)].
 164   uint32_t WeightLimit = getMaxWeightFor(BB);
 165   SmallVector<uint32_t, 2> Weights;
 166   Weights.reserve(TI->getNumSuccessors());
 167   for (unsigned i = 1, e = WeightsNode->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 168     ConstantInt *Weight = dyn_cast<ConstantInt>(WeightsNode->getOperand(i));
 169     if (!Weight)
 170       return false;
 171     Weights.push_back(
 172       std::max<uint32_t>(1, Weight->getLimitedValue(WeightLimit)));
 173   }
 174   assert(Weights.size() == TI->getNumSuccessors() && "Checked above");
 175   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
 176     setEdgeWeight(BB, TI->getSuccessor(i), Weights[i]);
 177
 178   return true;
 179 }
 180
 181 // Calculate Edge Weights using "Pointer Heuristics". Predict a comparsion
 182 // between two pointer or pointer and NULL will fail.
 183 bool BranchProbabilityInfo::calcPointerHeuristics(BasicBlock *BB) {
 184   BranchInst * BI = dyn_cast<BranchInst>(BB->getTerminator());
 185   if (!BI || !BI->isConditional())
 186     return false;
 187
 188   Value *Cond = BI->getCondition();
 189   ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(Cond);
 190   if (!CI || !CI->isEquality())
 191     return false;
 192
 193   Value *LHS = CI->getOperand(0);
 194
 195   if (!LHS->getType()->isPointerTy())
 196     return false;
 197
 198   assert(CI->getOperand(1)->getType()->isPointerTy());
 199
 200   BasicBlock *Taken = BI->getSuccessor(0);
 201   BasicBlock *NonTaken = BI->getSuccessor(1);
 202
 203   // p != 0   ->   isProb = true
 204   // p == 0   ->   isProb = false
 205   // p != q   ->   isProb = true
 206   // p == q   ->   isProb = false;
 207   bool isProb = CI->getPredicate() == ICmpInst::ICMP_NE;
 208   if (!isProb)
 209     std::swap(Taken, NonTaken);
 210
 211   setEdgeWeight(BB, Taken, PH_TAKEN_WEIGHT);
 212   setEdgeWeight(BB, NonTaken, PH_NONTAKEN_WEIGHT);
 213   return true;
 214 }
 215
 216 // Calculate Edge Weights using "Loop Branch Heuristics". Predict backedges
 217 // as taken, exiting edges as not-taken.
 218 bool BranchProbabilityInfo::calcLoopBranchHeuristics(BasicBlock *BB) {
 219   uint32_t numSuccs = BB->getTerminator()->getNumSuccessors();
 220
 221   Loop *L = LI->getLoopFor(BB);
 222   if (!L)
 223     return false;
 224
 225   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> BackEdges;
 226   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> ExitingEdges;
 227   SmallPtrSet<BasicBlock *, 8> InEdges; // Edges from header to the loop.
 228
 229   bool isHeader = BB == L->getHeader();
 230
 231   for (succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); I != E; ++I) {
 232     BasicBlock *Succ = *I;
 233     Loop *SuccL = LI->getLoopFor(Succ);
 234     if (SuccL != L)
 235       ExitingEdges.insert(Succ);
 236     else if (Succ == L->getHeader())
 237       BackEdges.insert(Succ);
 238     else if (isHeader)
 239       InEdges.insert(Succ);
 240   }
 241
 242   if (uint32_t numBackEdges = BackEdges.size()) {
 243     uint32_t backWeight = LBH_TAKEN_WEIGHT / numBackEdges;
 244     if (backWeight < NORMAL_WEIGHT)
 245       backWeight = NORMAL_WEIGHT;
 246
 247     for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 8>::iterator EI = BackEdges.begin(),
 248          EE = BackEdges.end(); EI != EE; ++EI) {
 249       BasicBlock *Back = *EI;
 250       setEdgeWeight(BB, Back, backWeight);
 251     }
 252   }
 253
 254   if (uint32_t numInEdges = InEdges.size()) {
 255     uint32_t inWeight = LBH_TAKEN_WEIGHT / numInEdges;
 256     if (inWeight < NORMAL_WEIGHT)
 257       inWeight = NORMAL_WEIGHT;
 258
 259     for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 8>::iterator EI = InEdges.begin(),
 260          EE = InEdges.end(); EI != EE; ++EI) {
 261       BasicBlock *Back = *EI;
 262       setEdgeWeight(BB, Back, inWeight);
 263     }
 264   }
 265
 266   uint32_t numExitingEdges = ExitingEdges.size();
 267   if (uint32_t numNonExitingEdges = numSuccs - numExitingEdges) {
 268     uint32_t exitWeight = LBH_NONTAKEN_WEIGHT / numNonExitingEdges;
 269     if (exitWeight < MIN_WEIGHT)
 270       exitWeight = MIN_WEIGHT;
 271
 272     for (SmallPtrSet<BasicBlock *, 8>::iterator EI = ExitingEdges.begin(),
 273          EE = ExitingEdges.end(); EI != EE; ++EI) {
 274       BasicBlock *Exiting = *EI;
 275       setEdgeWeight(BB, Exiting, exitWeight);
 276     }
 277   }
 278
 279   return true;
 280 }
 281
 282 bool BranchProbabilityInfo::calcZeroHeuristics(BasicBlock *BB) {
 283   BranchInst * BI = dyn_cast<BranchInst>(BB->getTerminator());
 284   if (!BI || !BI->isConditional())
 285     return false;
 286
 287   Value *Cond = BI->getCondition();
 288   ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(Cond);
 289   if (!CI)
 290     return false;
 291
 292   Value *RHS = CI->getOperand(1);
 293   ConstantInt *CV = dyn_cast<ConstantInt>(RHS);
 294   if (!CV)
 295     return false;
 296
 297   bool isProb;
 298   if (CV->isZero()) {
 299     switch (CI->getPredicate()) {
 300     case CmpInst::ICMP_EQ:
 301       // X == 0   ->  Unlikely
 302       isProb = false;
 303       break;
 304     case CmpInst::ICMP_NE:
 305       // X != 0   ->  Likely
 306       isProb = true;
 307       break;
 308     case CmpInst::ICMP_SLT:
 309       // X < 0   ->  Unlikely
 310       isProb = false;
 311       break;
 312     case CmpInst::ICMP_SGT:
 313       // X > 0   ->  Likely
 314       isProb = true;
 315       break;
 316     default:
 317       return false;
 318     }
 319   } else if (CV->isOne() && CI->getPredicate() == CmpInst::ICMP_SLT) {
 320     // InstCombine canonicalizes X <= 0 into X < 1.
 321     // X <= 0   ->  Unlikely
 322     isProb = false;
 323   } else if (CV->isAllOnesValue() && CI->getPredicate() == CmpInst::ICMP_SGT) {
 324     // InstCombine canonicalizes X >= 0 into X > -1.
 325     // X >= 0   ->  Likely
 326     isProb = true;
 327   } else {
 328     return false;
 329   }
 330
 331   BasicBlock *Taken = BI->getSuccessor(0);
 332   BasicBlock *NonTaken = BI->getSuccessor(1);
 333
 334   if (!isProb)
 335     std::swap(Taken, NonTaken);
 336
 337   setEdgeWeight(BB, Taken, ZH_TAKEN_WEIGHT);
 338   setEdgeWeight(BB, NonTaken, ZH_NONTAKEN_WEIGHT);
 339
 340   return true;
 341 }
 342
 343 bool BranchProbabilityInfo::calcFloatingPointHeuristics(BasicBlock *BB) {
 344   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(BB->getTerminator());
 345   if (!BI || !BI->isConditional())
 346     return false;
 347
 348   Value *Cond = BI->getCondition();
 349   FCmpInst *FCmp = dyn_cast<FCmpInst>(Cond);
 350   if (!FCmp)
 351     return false;
 352
 353   bool isProb;
 354   if (FCmp->isEquality()) {
 355     // f1 == f2 -> Unlikely
 356     // f1 != f2 -> Likely
 357     isProb = !FCmp->isTrueWhenEqual();
 358   } else if (FCmp->getPredicate() == FCmpInst::FCMP_ORD) {
 359     // !isnan -> Likely
 360     isProb = true;
 361   } else if (FCmp->getPredicate() == FCmpInst::FCMP_UNO) {
 362     // isnan -> Unlikely
 363     isProb = false;
 364   } else {
 365     return false;
 366   }
 367
 368   BasicBlock *Taken = BI->getSuccessor(0);
 369   BasicBlock *NonTaken = BI->getSuccessor(1);
 370
 371   if (!isProb)
 372     std::swap(Taken, NonTaken);
 373
 374   setEdgeWeight(BB, Taken, FPH_TAKEN_WEIGHT);
 375   setEdgeWeight(BB, NonTaken, FPH_NONTAKEN_WEIGHT);
 376
 377   return true;
 378 }
 379
 380 void BranchProbabilityInfo::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 381   AU.addRequired<LoopInfo>();
 382   AU.setPreservesAll();
 383 }
 384
 385 bool BranchProbabilityInfo::runOnFunction(Function &F) {
 386   LastF = &F; // Store the last function we ran on for printing.
 387   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
 388   assert(PostDominatedByUnreachable.empty());
 389
 390   // Walk the basic blocks in post-order so that we can build up state about
 391   // the successors of a block iteratively.
 392   for (po_iterator<BasicBlock *> I = po_begin(&F.getEntryBlock()),
 393                                  E = po_end(&F.getEntryBlock());
 394        I != E; ++I) {
 395     DEBUG(dbgs() << "Computing probabilities for " << I->getName() << "\n");
 396     if (calcUnreachableHeuristics(*I))
 397       continue;
 398     if (calcMetadataWeights(*I))
 399       continue;
 400     if (calcLoopBranchHeuristics(*I))
 401       continue;
 402     if (calcPointerHeuristics(*I))
 403       continue;
 404     if (calcZeroHeuristics(*I))
 405       continue;
 406     calcFloatingPointHeuristics(*I);
 407   }
 408
 409   PostDominatedByUnreachable.clear();
 410   return false;
 411 }
 412
 413 void BranchProbabilityInfo::print(raw_ostream &OS, const Module *) const {
 414   OS << "---- Branch Probabilities ----\n";
 415   // We print the probabilities from the last function the analysis ran over,
 416   // or the function it is currently running over.
 417   assert(LastF && "Cannot print prior to running over a function");
 418   for (Function::const_iterator BI = LastF->begin(), BE = LastF->end();
 419        BI != BE; ++BI) {
 420     for (succ_const_iterator SI = succ_begin(BI), SE = succ_end(BI);
 421          SI != SE; ++SI) {
 422       printEdgeProbability(OS << "  ", BI, *SI);
 423     }
 424   }
 425 }
 426
 427 uint32_t BranchProbabilityInfo::getSumForBlock(const BasicBlock *BB) const {
 428   uint32_t Sum = 0;
 429
 430   for (succ_const_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); I != E; ++I) {
 431     const BasicBlock *Succ = *I;
 432     uint32_t Weight = getEdgeWeight(BB, Succ);
 433     uint32_t PrevSum = Sum;
 434
 435     Sum += Weight;
 436     assert(Sum > PrevSum); (void) PrevSum;
 437   }
 438
 439   return Sum;
 440 }
 441
 442 bool BranchProbabilityInfo::
 443 isEdgeHot(const BasicBlock *Src, const BasicBlock *Dst) const {
 444   // Hot probability is at least 4/5 = 80%
 445   // FIXME: Compare against a static "hot" BranchProbability.
 446   return getEdgeProbability(Src, Dst) > BranchProbability(4, 5);
 447 }
 448
 449 BasicBlock *BranchProbabilityInfo::getHotSucc(BasicBlock *BB) const {
 450   uint32_t Sum = 0;
 451   uint32_t MaxWeight = 0;
 452   BasicBlock *MaxSucc = 0;
 453
 454   for (succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); I != E; ++I) {
 455     BasicBlock *Succ = *I;
 456     uint32_t Weight = getEdgeWeight(BB, Succ);
 457     uint32_t PrevSum = Sum;
 458
 459     Sum += Weight;
 460     assert(Sum > PrevSum); (void) PrevSum;
 461
 462     if (Weight > MaxWeight) {
 463       MaxWeight = Weight;
 464       MaxSucc = Succ;
 465     }
 466   }
 467
 468   // Hot probability is at least 4/5 = 80%
 469   if (BranchProbability(MaxWeight, Sum) > BranchProbability(4, 5))
 470     return MaxSucc;
 471
 472   return 0;
 473 }
 474
 475 // Return edge's weight. If can't find it, return DEFAULT_WEIGHT value.
 476 uint32_t BranchProbabilityInfo::
 477 getEdgeWeight(const BasicBlock *Src, const BasicBlock *Dst) const {
 478   Edge E(Src, Dst);
 479   DenseMap<Edge, uint32_t>::const_iterator I = Weights.find(E);
 480
 481   if (I != Weights.end())
 482     return I->second;
 483
 484   return DEFAULT_WEIGHT;
 485 }
 486
 487 void BranchProbabilityInfo::
 488 setEdgeWeight(const BasicBlock *Src, const BasicBlock *Dst, uint32_t Weight) {
 489   Weights[std::make_pair(Src, Dst)] = Weight;
 490   DEBUG(dbgs() << "set edge " << Src->getNameStr() << " -> "
 491                << Dst->getNameStr() << " weight to " << Weight
 492                << (isEdgeHot(Src, Dst) ? " [is HOT now]\n" : "\n"));
 493 }
 494
 495
 496 BranchProbability BranchProbabilityInfo::
 497 getEdgeProbability(const BasicBlock *Src, const BasicBlock *Dst) const {
 498
 499   uint32_t N = getEdgeWeight(Src, Dst);
 500   uint32_t D = getSumForBlock(Src);
 501
 502   return BranchProbability(N, D);
 503 }
 504
 505 raw_ostream &
 506 BranchProbabilityInfo::printEdgeProbability(raw_ostream &OS,
 507                                             const BasicBlock *Src,
 508                                             const BasicBlock *Dst) const {
 509
 510   const BranchProbability Prob = getEdgeProbability(Src, Dst);
 511   OS << "edge " << Src->getNameStr() << " -> " << Dst->getNameStr()
 512      << " probability is " << Prob
 513      << (isEdgeHot(Src, Dst) ? " [HOT edge]\n" : "\n");
 514
 515   return OS;
 516 }