Improve encapsulation in the Loop and LoopInfo classes by eliminating the
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / LoopInfo.cpp
1 //===- LoopInfo.cpp - Natural Loop Calculator -----------------------------===//
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 the
12 // loops identified may actually be several natural loops that share the same
13 // header node... not just a single natural loop.
14 //
15 //===----------------------------------------------------------------------===//
16
17 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
18 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
19 #include "llvm/Support/CFG.h"
20 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
21 #include "Support/DepthFirstIterator.h"
22 #include <algorithm>
23
24 namespace llvm {
25
26 static RegisterAnalysis<LoopInfo>
27 X("loops", "Natural Loop Construction", true);
28
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30 // Loop implementation
31 //
32 bool Loop::contains(const BasicBlock *BB) const {
33   return find(Blocks.begin(), Blocks.end(), BB) != Blocks.end();
34 }
35
36 bool Loop::isLoopExit(const BasicBlock *BB) const {
37   for (succ_const_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB);
38        SI != SE; ++SI) {
39     if (!contains(*SI))
40       return true;
41   }
42   return false;
43 }
44
45 /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header.
46 ///
47 unsigned Loop::getNumBackEdges() const {
48   unsigned NumBackEdges = 0;
49   BasicBlock *H = getHeader();
50
51   for (pred_iterator I = pred_begin(H), E = pred_end(H); I != E; ++I)
52     if (contains(*I))
53       ++NumBackEdges;
54
55   return NumBackEdges;
56 }
57
58 void Loop::print(std::ostream &OS, unsigned Depth) const {
59   OS << std::string(Depth*2, ' ') << "Loop Containing: ";
60
61   for (unsigned i = 0; i < getBlocks().size(); ++i) {
62     if (i) OS << ",";
63     WriteAsOperand(OS, getBlocks()[i], false);
64   }
65   if (!ExitBlocks.empty()) {
66     OS << "\tExitBlocks: ";
67     for (unsigned i = 0; i < getExitBlocks().size(); ++i) {
68       if (i) OS << ",";
69       WriteAsOperand(OS, getExitBlocks()[i], false);
70     }
71   }
72
73   OS << "\n";
74
75   for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
76     (*I)->print(OS, Depth+2);
77 }
78
79 void Loop::dump() const {
80   print(std::cerr);
81 }
82
83
84 //===----------------------------------------------------------------------===//
85 // LoopInfo implementation
86 //
87 void LoopInfo::stub() {}
88
89 bool LoopInfo::runOnFunction(Function &) {
90   releaseMemory();
91   Calculate(getAnalysis<DominatorSet>());    // Update
92   return false;
93 }
94
95 void LoopInfo::releaseMemory() {
96   for (std::vector<Loop*>::iterator I = TopLevelLoops.begin(),
97          E = TopLevelLoops.end(); I != E; ++I)
98     delete *I;   // Delete all of the loops...
99
100   BBMap.clear();                             // Reset internal state of analysis
101   TopLevelLoops.clear();
102 }
103
104
105 void LoopInfo::Calculate(const DominatorSet &DS) {
106   BasicBlock *RootNode = DS.getRoot();
107
108   for (df_iterator<BasicBlock*> NI = df_begin(RootNode),
109          NE = df_end(RootNode); NI != NE; ++NI)
110     if (Loop *L = ConsiderForLoop(*NI, DS))
111       TopLevelLoops.push_back(L);
112
113   for (unsigned i = 0; i < TopLevelLoops.size(); ++i)
114     TopLevelLoops[i]->setLoopDepth(1);
115 }
116
117 void LoopInfo::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
118   AU.setPreservesAll();
119   AU.addRequired<DominatorSet>();
120 }
121
122 void LoopInfo::print(std::ostream &OS) const {
123   for (unsigned i = 0; i < TopLevelLoops.size(); ++i)
124     TopLevelLoops[i]->print(OS);
125 #if 0
126   for (std::map<BasicBlock*, Loop*>::const_iterator I = BBMap.begin(),
127          E = BBMap.end(); I != E; ++I)
128     OS << "BB '" << I->first->getName() << "' level = "
129        << I->second->LoopDepth << "\n";
130 #endif
131 }
132
133 static bool isNotAlreadyContainedIn(Loop *SubLoop, Loop *ParentLoop) {
134   if (SubLoop == 0) return true;
135   if (SubLoop == ParentLoop) return false;
136   return isNotAlreadyContainedIn(SubLoop->getParentLoop(), ParentLoop);
137 }
138
139 Loop *LoopInfo::ConsiderForLoop(BasicBlock *BB, const DominatorSet &DS) {
140   if (BBMap.find(BB) != BBMap.end()) return 0;   // Haven't processed this node?
141
142   std::vector<BasicBlock *> TodoStack;
143
144   // Scan the predecessors of BB, checking to see if BB dominates any of
145   // them.  This identifies backedges which target this node...
146   for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I)
147     if (DS.dominates(BB, *I))   // If BB dominates it's predecessor...
148       TodoStack.push_back(*I);
149
150   if (TodoStack.empty()) return 0;  // No backedges to this block...
151
152   // Create a new loop to represent this basic block...
153   Loop *L = new Loop(BB);
154   BBMap[BB] = L;
155
156   BasicBlock *EntryBlock = &BB->getParent()->getEntryBlock();
157
158   while (!TodoStack.empty()) {  // Process all the nodes in the loop
159     BasicBlock *X = TodoStack.back();
160     TodoStack.pop_back();
161
162     if (!L->contains(X) &&         // As of yet unprocessed??
163         DS.dominates(EntryBlock, X)) {   // X is reachable from entry block?
164       // Check to see if this block already belongs to a loop.  If this occurs
165       // then we have a case where a loop that is supposed to be a child of the
166       // current loop was processed before the current loop.  When this occurs,
167       // this child loop gets added to a part of the current loop, making it a
168       // sibling to the current loop.  We have to reparent this loop.
169       if (Loop *SubLoop = const_cast<Loop*>(getLoopFor(X)))
170         if (SubLoop->getHeader() == X && isNotAlreadyContainedIn(SubLoop, L)) {
171           // Remove the subloop from it's current parent...
172           assert(SubLoop->ParentLoop && SubLoop->ParentLoop != L);
173           Loop *SLP = SubLoop->ParentLoop;  // SubLoopParent
174           std::vector<Loop*>::iterator I =
175             std::find(SLP->SubLoops.begin(), SLP->SubLoops.end(), SubLoop);
176           assert(I != SLP->SubLoops.end() && "SubLoop not a child of parent?");
177           SLP->SubLoops.erase(I);   // Remove from parent...
178           
179           // Add the subloop to THIS loop...
180           SubLoop->ParentLoop = L;
181           L->SubLoops.push_back(SubLoop);
182         }
183
184       // Normal case, add the block to our loop...
185       L->Blocks.push_back(X);
186         
187       // Add all of the predecessors of X to the end of the work stack...
188       TodoStack.insert(TodoStack.end(), pred_begin(X), pred_end(X));
189     }
190   }
191
192   // If there are any loops nested within this loop, create them now!
193   for (std::vector<BasicBlock*>::iterator I = L->Blocks.begin(),
194          E = L->Blocks.end(); I != E; ++I)
195     if (Loop *NewLoop = ConsiderForLoop(*I, DS)) {
196       L->SubLoops.push_back(NewLoop);
197       NewLoop->ParentLoop = L;
198     }
199
200   // Add the basic blocks that comprise this loop to the BBMap so that this
201   // loop can be found for them.
202   //
203   for (std::vector<BasicBlock*>::iterator I = L->Blocks.begin(),
204          E = L->Blocks.end(); I != E; ++I) {
205     std::map<BasicBlock*, Loop*>::iterator BBMI = BBMap.lower_bound(*I);
206     if (BBMI == BBMap.end() || BBMI->first != *I)  // Not in map yet...
207       BBMap.insert(BBMI, std::make_pair(*I, L));   // Must be at this level
208   }
209
210   // Now that we have a list of all of the child loops of this loop, check to
211   // see if any of them should actually be nested inside of each other.  We can
212   // accidentally pull loops our of their parents, so we must make sure to
213   // organize the loop nests correctly now.
214   {
215     std::map<BasicBlock*, Loop*> ContainingLoops;
216     for (unsigned i = 0; i != L->SubLoops.size(); ++i) {
217       Loop *Child = L->SubLoops[i];
218       assert(Child->getParentLoop() == L && "Not proper child loop?");
219
220       if (Loop *ContainingLoop = ContainingLoops[Child->getHeader()]) {
221         // If there is already a loop which contains this loop, move this loop
222         // into the containing loop.
223         MoveSiblingLoopInto(Child, ContainingLoop);
224         --i;  // The loop got removed from the SubLoops list.
225       } else {
226         // This is currently considered to be a top-level loop.  Check to see if
227         // any of the contained blocks are loop headers for subloops we have
228         // already processed.
229         for (unsigned b = 0, e = Child->Blocks.size(); b != e; ++b) {
230           Loop *&BlockLoop = ContainingLoops[Child->Blocks[b]];
231           if (BlockLoop == 0) {   // Child block not processed yet...
232             BlockLoop = Child;
233           } else if (BlockLoop != Child) {
234             Loop *SubLoop = BlockLoop;
235             // Reparent all of the blocks which used to belong to BlockLoops
236             for (unsigned j = 0, e = SubLoop->Blocks.size(); j != e; ++j)
237               ContainingLoops[SubLoop->Blocks[j]] = Child;
238
239             // There is already a loop which contains this block, that means
240             // that we should reparent the loop which the block is currently
241             // considered to belong to to be a child of this loop.
242             MoveSiblingLoopInto(SubLoop, Child);
243             --i;  // We just shrunk the SubLoops list.
244           }
245         }
246       }      
247     }
248   }
249
250   // Now that we know all of the blocks that make up this loop, see if there are
251   // any branches to outside of the loop... building the ExitBlocks list.
252   for (std::vector<BasicBlock*>::iterator BI = L->Blocks.begin(),
253          BE = L->Blocks.end(); BI != BE; ++BI)
254     for (succ_iterator I = succ_begin(*BI), E = succ_end(*BI); I != E; ++I)
255       if (!L->contains(*I))               // Not in current loop?
256         L->ExitBlocks.push_back(*I);      // It must be an exit block...
257
258   return L;
259 }
260
261 /// MoveSiblingLoopInto - This method moves the NewChild loop to live inside of
262 /// the NewParent Loop, instead of being a sibling of it.
263 void LoopInfo::MoveSiblingLoopInto(Loop *NewChild, Loop *NewParent) {
264   Loop *OldParent = NewChild->getParentLoop();
265   assert(OldParent && OldParent == NewParent->getParentLoop() &&
266          NewChild != NewParent && "Not sibling loops!");
267
268   // Remove NewChild from being a child of OldParent
269   std::vector<Loop*>::iterator I =
270     std::find(OldParent->SubLoops.begin(), OldParent->SubLoops.end(), NewChild);
271   assert(I != OldParent->SubLoops.end() && "Parent fields incorrect??");
272   OldParent->SubLoops.erase(I);   // Remove from parent's subloops list
273   NewChild->ParentLoop = 0;
274   
275   InsertLoopInto(NewChild, NewParent);  
276 }
277
278 /// InsertLoopInto - This inserts loop L into the specified parent loop.  If the
279 /// parent loop contains a loop which should contain L, the loop gets inserted
280 /// into L instead.
281 void LoopInfo::InsertLoopInto(Loop *L, Loop *Parent) {
282   BasicBlock *LHeader = L->getHeader();
283   assert(Parent->contains(LHeader) && "This loop should not be inserted here!");
284   
285   // Check to see if it belongs in a child loop...
286   for (unsigned i = 0, e = Parent->SubLoops.size(); i != e; ++i)
287     if (Parent->SubLoops[i]->contains(LHeader)) {
288       InsertLoopInto(L, Parent->SubLoops[i]);
289       return;
290     }      
291
292   // If not, insert it here!
293   Parent->SubLoops.push_back(L);
294   L->ParentLoop = Parent;
295 }
296
297
298
299 /// getLoopPreheader - If there is a preheader for this loop, return it.  A
300 /// loop has a preheader if there is only one edge to the header of the loop
301 /// from outside of the loop.  If this is the case, the block branching to the
302 /// header of the loop is the preheader node.  The "preheaders" pass can be
303 /// "Required" to ensure that there is always a preheader node for every loop.
304 ///
305 /// This method returns null if there is no preheader for the loop (either
306 /// because the loop is dead or because multiple blocks branch to the header
307 /// node of this loop).
308 ///
309 BasicBlock *Loop::getLoopPreheader() const {
310   // Keep track of nodes outside the loop branching to the header...
311   BasicBlock *Out = 0;
312
313   // Loop over the predecessors of the header node...
314   BasicBlock *Header = getHeader();
315   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
316        PI != PE; ++PI)
317     if (!contains(*PI)) {     // If the block is not in the loop...
318       if (Out && Out != *PI)
319         return 0;             // Multiple predecessors outside the loop
320       Out = *PI;
321     }
322   
323   // Make sure there is only one exit out of the preheader...
324   succ_iterator SI = succ_begin(Out);
325   ++SI;
326   if (SI != succ_end(Out))
327     return 0;  // Multiple exits from the block, must not be a preheader.
328
329
330   // If there is exactly one preheader, return it.  If there was zero, then Out
331   // is still null.
332   return Out;
333 }
334
335 /// addBasicBlockToLoop - This function is used by other analyses to update loop
336 /// information.  NewBB is set to be a new member of the current loop.  Because
337 /// of this, it is added as a member of all parent loops, and is added to the
338 /// specified LoopInfo object as being in the current basic block.  It is not
339 /// valid to replace the loop header with this method.
340 ///
341 void Loop::addBasicBlockToLoop(BasicBlock *NewBB, LoopInfo &LI) {
342   assert(LI[getHeader()] == this && "Incorrect LI specified for this loop!");
343   assert(NewBB && "Cannot add a null basic block to the loop!");
344   assert(LI[NewBB] == 0 && "BasicBlock already in the loop!");
345
346   // Add the loop mapping to the LoopInfo object...
347   LI.BBMap[NewBB] = this;
348
349   // Add the basic block to this loop and all parent loops...
350   Loop *L = this;
351   while (L) {
352     L->Blocks.push_back(NewBB);
353     L = L->getParentLoop();
354   }
355 }
356
357 /// changeExitBlock - This method is used to update loop information.  All
358 /// instances of the specified Old basic block are removed from the exit list
359 /// and replaced with New.
360 ///
361 void Loop::changeExitBlock(BasicBlock *Old, BasicBlock *New) {
362   assert(Old != New && "Cannot changeExitBlock to the same thing!");
363   assert(Old && New && "Cannot changeExitBlock to or from a null node!");
364   assert(hasExitBlock(Old) && "Old exit block not found!");
365   std::vector<BasicBlock*>::iterator
366     I = std::find(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end(), Old);
367   while (I != ExitBlocks.end()) {
368     *I = New;
369     I = std::find(I+1, ExitBlocks.end(), Old);
370   }
371 }
372
373 } // End llvm namespace