lib/Analysis/IVUsers.cpp

   1 //===- IVUsers.cpp - Induction Variable Users -------------------*- 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 implements bookkeeping for "interesting" users of expressions
  11 // computed from induction variables.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
  16 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  17 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  18 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  19 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  20 #include "llvm/IR/Constants.h"
  21 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  22 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  23 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  24 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  25 #include "llvm/IR/Module.h"
  26 #include "llvm/IR/Type.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  29 #include <algorithm>
  30 using namespace llvm;
  31
  32 #define DEBUG_TYPE "iv-users"
  33
  34 char IVUsers::ID = 0;
  35 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IVUsers, "iv-users",
  36                       "Induction Variable Users", false, true)
  37 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
  38 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
  39 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
  40 INITIALIZE_PASS_END(IVUsers, "iv-users",
  41                       "Induction Variable Users", false, true)
  42
  43 Pass *llvm::createIVUsersPass() {
  44   return new IVUsers();
  45 }
  46
  47 /// isInteresting - Test whether the given expression is "interesting" when
  48 /// used by the given expression, within the context of analyzing the
  49 /// given loop.
  50 static bool isInteresting(const SCEV *S, const Instruction *I, const Loop *L,
  51                           ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI) {
  52   // An addrec is interesting if it's affine or if it has an interesting start.
  53   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
  54     // Keep things simple. Don't touch loop-variant strides unless they're
  55     // only used outside the loop and we can simplify them.
  56     if (AR->getLoop() == L)
  57       return AR->isAffine() ||
  58              (!L->contains(I) &&
  59               SE->getSCEVAtScope(AR, LI->getLoopFor(I->getParent())) != AR);
  60     // Otherwise recurse to see if the start value is interesting, and that
  61     // the step value is not interesting, since we don't yet know how to
  62     // do effective SCEV expansions for addrecs with interesting steps.
  63     return isInteresting(AR->getStart(), I, L, SE, LI) &&
  64           !isInteresting(AR->getStepRecurrence(*SE), I, L, SE, LI);
  65   }
  66
  67   // An add is interesting if exactly one of its operands is interesting.
  68   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
  69     bool AnyInterestingYet = false;
  70     for (SCEVAddExpr::op_iterator OI = Add->op_begin(), OE = Add->op_end();
  71          OI != OE; ++OI)
  72       if (isInteresting(*OI, I, L, SE, LI)) {
  73         if (AnyInterestingYet)
  74           return false;
  75         AnyInterestingYet = true;
  76       }
  77     return AnyInterestingYet;
  78   }
  79
  80   // Nothing else is interesting here.
  81   return false;
  82 }
  83
  84 /// Return true if all loop headers that dominate this block are in simplified
  85 /// form.
  86 static bool isSimplifiedLoopNest(BasicBlock *BB, const DominatorTree *DT,
  87                                  const LoopInfo *LI,
  88                                  SmallPtrSetImpl<Loop*> &SimpleLoopNests) {
  89   Loop *NearestLoop = nullptr;
  90   for (DomTreeNode *Rung = DT->getNode(BB);
  91        Rung; Rung = Rung->getIDom()) {
  92     BasicBlock *DomBB = Rung->getBlock();
  93     Loop *DomLoop = LI->getLoopFor(DomBB);
  94     if (DomLoop && DomLoop->getHeader() == DomBB) {
  95       // If the domtree walk reaches a loop with no preheader, return false.
  96       if (!DomLoop->isLoopSimplifyForm())
  97         return false;
  98       // If we have already checked this loop nest, stop checking.
  99       if (SimpleLoopNests.count(DomLoop))
 100         break;
 101       // If we have not already checked this loop nest, remember the loop
 102       // header nearest to BB. The nearest loop may not contain BB.
 103       if (!NearestLoop)
 104         NearestLoop = DomLoop;
 105     }
 106   }
 107   if (NearestLoop)
 108     SimpleLoopNests.insert(NearestLoop);
 109   return true;
 110 }
 111
 112 /// AddUsersImpl - Inspect the specified instruction.  If it is a
 113 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
 114 /// return true.  Otherwise, return false.
 115 bool IVUsers::AddUsersImpl(Instruction *I,
 116                            SmallPtrSetImpl<Loop*> &SimpleLoopNests) {
 117   const DataLayout &DL = I->getModule()->getDataLayout();
 118
 119   // Add this IV user to the Processed set before returning false to ensure that
 120   // all IV users are members of the set. See IVUsers::isIVUserOrOperand.
 121   if (!Processed.insert(I).second)
 122     return true;    // Instruction already handled.
 123
 124   if (!SE->isSCEVable(I->getType()))
 125     return false;   // Void and FP expressions cannot be reduced.
 126
 127   // IVUsers is used by LSR which assumes that all SCEV expressions are safe to
 128   // pass to SCEVExpander. Expressions are not safe to expand if they represent
 129   // operations that are not safe to speculate, namely integer division.
 130   if (!isa<PHINode>(I) && !isSafeToSpeculativelyExecute(I))
 131     return false;
 132
 133   // LSR is not APInt clean, do not touch integers bigger than 64-bits.
 134   // Also avoid creating IVs of non-native types. For example, we don't want a
 135   // 64-bit IV in 32-bit code just because the loop has one 64-bit cast.
 136   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(I->getType());
 137   if (Width > 64 || !DL.isLegalInteger(Width))
 138     return false;
 139
 140   // Get the symbolic expression for this instruction.
 141   const SCEV *ISE = SE->getSCEV(I);
 142
 143   // If we've come to an uninteresting expression, stop the traversal and
 144   // call this a user.
 145   if (!isInteresting(ISE, I, L, SE, LI))
 146     return false;
 147
 148   SmallPtrSet<Instruction *, 4> UniqueUsers;
 149   for (Use &U : I->uses()) {
 150     Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
 151     if (!UniqueUsers.insert(User).second)
 152       continue;
 153
 154     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
 155     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
 156       continue;
 157
 158     // Only consider IVUsers that are dominated by simplified loop
 159     // headers. Otherwise, SCEVExpander will crash.
 160     BasicBlock *UseBB = User->getParent();
 161     // A phi's use is live out of its predecessor block.
 162     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User)) {
 163       unsigned OperandNo = U.getOperandNo();
 164       unsigned ValNo = PHINode::getIncomingValueNumForOperand(OperandNo);
 165       UseBB = PHI->getIncomingBlock(ValNo);
 166     }
 167     if (!isSimplifiedLoopNest(UseBB, DT, LI, SimpleLoopNests))
 168       return false;
 169
 170     // Descend recursively, but not into PHI nodes outside the current loop.
 171     // It's important to see the entire expression outside the loop to get
 172     // choices that depend on addressing mode use right, although we won't
 173     // consider references outside the loop in all cases.
 174     // If User is already in Processed, we don't want to recurse into it again,
 175     // but do want to record a second reference in the same instruction.
 176     bool AddUserToIVUsers = false;
 177     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
 178       if (isa<PHINode>(User) || Processed.count(User) ||
 179           !AddUsersImpl(User, SimpleLoopNests)) {
 180         DEBUG(dbgs() << "FOUND USER in other loop: " << *User << '\n'
 181                      << "   OF SCEV: " << *ISE << '\n');
 182         AddUserToIVUsers = true;
 183       }
 184     } else if (Processed.count(User) || !AddUsersImpl(User, SimpleLoopNests)) {
 185       DEBUG(dbgs() << "FOUND USER: " << *User << '\n'
 186                    << "   OF SCEV: " << *ISE << '\n');
 187       AddUserToIVUsers = true;
 188     }
 189
 190     if (AddUserToIVUsers) {
 191       // Okay, we found a user that we cannot reduce.
 192       IVStrideUse &NewUse = AddUser(User, I);
 193       // Autodetect the post-inc loop set, populating NewUse.PostIncLoops.
 194       // The regular return value here is discarded; instead of recording
 195       // it, we just recompute it when we need it.
 196       const SCEV *OriginalISE = ISE;
 197       ISE = TransformForPostIncUse(NormalizeAutodetect,
 198                                    ISE, User, I,
 199                                    NewUse.PostIncLoops,
 200                                    *SE, *DT);
 201
 202       // PostIncNormalization effectively simplifies the expression under
 203       // pre-increment assumptions. Those assumptions (no wrapping) might not
 204       // hold for the post-inc value. Catch such cases by making sure the
 205       // transformation is invertible.
 206       if (OriginalISE != ISE) {
 207         const SCEV *DenormalizedISE =
 208           TransformForPostIncUse(Denormalize, ISE, User, I,
 209               NewUse.PostIncLoops, *SE, *DT);
 210
 211         // If we normalized the expression, but denormalization doesn't give the
 212         // original one, discard this user.
 213         if (OriginalISE != DenormalizedISE) {
 214           DEBUG(dbgs() << "   DISCARDING (NORMALIZATION ISN'T INVERTIBLE): "
 215                        << *ISE << '\n');
 216           IVUses.pop_back();
 217           return false;
 218         }
 219       }
 220       DEBUG(if (SE->getSCEV(I) != ISE)
 221               dbgs() << "   NORMALIZED TO: " << *ISE << '\n');
 222     }
 223   }
 224   return true;
 225 }
 226
 227 bool IVUsers::AddUsersIfInteresting(Instruction *I) {
 228   // SCEVExpander can only handle users that are dominated by simplified loop
 229   // entries. Keep track of all loops that are only dominated by other simple
 230   // loops so we don't traverse the domtree for each user.
 231   SmallPtrSet<Loop*,16> SimpleLoopNests;
 232
 233   return AddUsersImpl(I, SimpleLoopNests);
 234 }
 235
 236 IVStrideUse &IVUsers::AddUser(Instruction *User, Value *Operand) {
 237   IVUses.push_back(new IVStrideUse(this, User, Operand));
 238   return IVUses.back();
 239 }
 240
 241 IVUsers::IVUsers()
 242     : LoopPass(ID) {
 243   initializeIVUsersPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 244 }
 245
 246 void IVUsers::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 247   AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 248   AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
 249   AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 250   AU.setPreservesAll();
 251 }
 252
 253 bool IVUsers::runOnLoop(Loop *l, LPPassManager &LPM) {
 254
 255   L = l;
 256   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 257   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
 258   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 259
 260   // Find all uses of induction variables in this loop, and categorize
 261   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
 262   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
 263   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
 264     (void)AddUsersIfInteresting(I);
 265
 266   return false;
 267 }
 268
 269 void IVUsers::print(raw_ostream &OS, const Module *M) const {
 270   OS << "IV Users for loop ";
 271   L->getHeader()->printAsOperand(OS, false);
 272   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L)) {
 273     OS << " with backedge-taken count "
 274        << *SE->getBackedgeTakenCount(L);
 275   }
 276   OS << ":\n";
 277
 278   for (ilist<IVStrideUse>::const_iterator UI = IVUses.begin(),
 279        E = IVUses.end(); UI != E; ++UI) {
 280     OS << "  ";
 281     UI->getOperandValToReplace()->printAsOperand(OS, false);
 282     OS << " = " << *getReplacementExpr(*UI);
 283     for (PostIncLoopSet::const_iterator
 284          I = UI->PostIncLoops.begin(),
 285          E = UI->PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
 286       OS << " (post-inc with loop ";
 287       (*I)->getHeader()->printAsOperand(OS, false);
 288       OS << ")";
 289     }
 290     OS << " in  ";
 291     if (UI->getUser())
 292       UI->getUser()->print(OS);
 293     else
 294       OS << "Printing <null> User";
 295     OS << '\n';
 296   }
 297 }
 298
 299 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
 300 void IVUsers::dump() const {
 301   print(dbgs());
 302 }
 303 #endif
 304
 305 void IVUsers::releaseMemory() {
 306   Processed.clear();
 307   IVUses.clear();
 308 }
 309
 310 /// getReplacementExpr - Return a SCEV expression which computes the
 311 /// value of the OperandValToReplace.
 312 const SCEV *IVUsers::getReplacementExpr(const IVStrideUse &IU) const {
 313   return SE->getSCEV(IU.getOperandValToReplace());
 314 }
 315
 316 /// getExpr - Return the expression for the use.
 317 const SCEV *IVUsers::getExpr(const IVStrideUse &IU) const {
 318   return
 319     TransformForPostIncUse(Normalize, getReplacementExpr(IU),
 320                            IU.getUser(), IU.getOperandValToReplace(),
 321                            const_cast<PostIncLoopSet &>(IU.getPostIncLoops()),
 322                            *SE, *DT);
 323 }
 324
 325 static const SCEVAddRecExpr *findAddRecForLoop(const SCEV *S, const Loop *L) {
 326   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
 327     if (AR->getLoop() == L)
 328       return AR;
 329     return findAddRecForLoop(AR->getStart(), L);
 330   }
 331
 332   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
 333     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
 334          I != E; ++I)
 335       if (const SCEVAddRecExpr *AR = findAddRecForLoop(*I, L))
 336         return AR;
 337     return nullptr;
 338   }
 339
 340   return nullptr;
 341 }
 342
 343 const SCEV *IVUsers::getStride(const IVStrideUse &IU, const Loop *L) const {
 344   if (const SCEVAddRecExpr *AR = findAddRecForLoop(getExpr(IU), L))
 345     return AR->getStepRecurrence(*SE);
 346   return nullptr;
 347 }
 348
 349 void IVStrideUse::transformToPostInc(const Loop *L) {
 350   PostIncLoops.insert(L);
 351 }
 352
 353 void IVStrideUse::deleted() {
 354   // Remove this user from the list.
 355   Parent->Processed.erase(this->getUser());
 356   Parent->IVUses.erase(this);
 357   // this now dangles!
 358 }