00a309972a52caef715a6408e5eaee5543ccab4e
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
1 //===-- MachineBlockPlacement.cpp - Basic Block Code Layout optimization --===//
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 basic block placement transformations using the CFG
11 // structure and branch probability estimates.
12 //
13 // The pass strives to preserve the structure of the CFG (that is, retain
14 // a topological ordering of basic blocks) in the absence of a *strong* signal
15 // to the contrary from probabilities. However, within the CFG structure, it
16 // attempts to choose an ordering which favors placing more likely sequences of
17 // blocks adjacent to each other.
18 //
19 // The algorithm works from the inner-most loop within a function outward, and
20 // at each stage walks through the basic blocks, trying to coalesce them into
21 // sequential chains where allowed by the CFG (or demanded by heavy
22 // probabilities). Finally, it walks the blocks in topological order, and the
23 // first time it reaches a chain of basic blocks, it schedules them in the
24 // function in-order.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #define DEBUG_TYPE "block-placement2"
29 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
35 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
36 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
40 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
41 #include "llvm/Support/Allocator.h"
42 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
43 #include "llvm/Support/Debug.h"
44 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
45 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
46 #include <algorithm>
47 using namespace llvm;
48
49 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
50 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of uncondittional branches");
51 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
52           "Potential frequency of taking conditional branches");
53 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
54           "Potential frequency of taking unconditional branches");
55
56 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
57                                        cl::desc("Force the alignment of all "
58                                                 "blocks in the function."),
59                                        cl::init(0), cl::Hidden);
60
61 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
62 static cl::opt<unsigned>
63 ExitBlockBias("block-placement-exit-block-bias",
64               cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
65                        "over the original exit to be considered the new exit."),
66               cl::init(0), cl::Hidden);
67
68 namespace {
69 class BlockChain;
70 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
71 typedef DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
72 }
73
74 namespace {
75 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
76 ///
77 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
78 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
79 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
80 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
81 /// requirement for sequential layout.
82 ///
83 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
84 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
85 /// automatically as chains are merged together.
86 class BlockChain {
87   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
88   ///
89   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
90   /// out in-order within the function.
91   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
92
93   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
94   ///
95   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
96   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
97   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
98   /// structure.
99   BlockToChainMapType &BlockToChain;
100
101 public:
102   /// \brief Construct a new BlockChain.
103   ///
104   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
105   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
106   /// in with the BlockToChain mapping.
107   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
108     : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), LoopPredecessors(0) {
109     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
110     BlockToChain[BB] = this;
111   }
112
113   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
114   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
115
116   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
117   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
118
119   /// \brief End of blocks within the chain.
120   iterator end() { return Blocks.end(); }
121
122   /// \brief Merge a block chain into this one.
123   ///
124   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
125   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
126   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
127   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
128   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
129     assert(BB);
130     assert(!Blocks.empty());
131
132     // Fast path in case we don't have a chain already.
133     if (!Chain) {
134       assert(!BlockToChain[BB]);
135       Blocks.push_back(BB);
136       BlockToChain[BB] = this;
137       return;
138     }
139
140     assert(BB == *Chain->begin());
141     assert(Chain->begin() != Chain->end());
142
143     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
144     // chain structure.
145     for (BlockChain::iterator BI = Chain->begin(), BE = Chain->end();
146          BI != BE; ++BI) {
147       Blocks.push_back(*BI);
148       assert(BlockToChain[*BI] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
149       BlockToChain[*BI] = this;
150     }
151   }
152
153 #ifndef NDEBUG
154   /// \brief Dump the blocks in this chain.
155   void dump() LLVM_ATTRIBUTE_USED {
156     for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
157       (*I)->dump();
158   }
159 #endif // NDEBUG
160
161   /// \brief Count of predecessors within the loop currently being processed.
162   ///
163   /// This count is updated at each loop we process to represent the number of
164   /// in-loop predecessors of this chain.
165   unsigned LoopPredecessors;
166 };
167 }
168
169 namespace {
170 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
171   /// \brief A typedef for a block filter set.
172   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
173
174   /// \brief A handle to the branch probability pass.
175   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
176
177   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
178   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
179
180   /// \brief A handle to the loop info.
181   const MachineLoopInfo *MLI;
182
183   /// \brief A handle to the target's instruction info.
184   const TargetInstrInfo *TII;
185
186   /// \brief A handle to the target's lowering info.
187   const TargetLoweringBase *TLI;
188
189   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
190   ///
191   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
192   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
193   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
194   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
195   /// the chains.
196   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
197
198   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
199   ///
200   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
201   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
202   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
203   /// between basic blocks.
204   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
205
206   void markChainSuccessors(BlockChain &Chain,
207                            MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
208                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
209                            const BlockFilterSet *BlockFilter = 0);
210   MachineBasicBlock *selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
211                                          BlockChain &Chain,
212                                          const BlockFilterSet *BlockFilter);
213   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
214       BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
215       const BlockFilterSet *BlockFilter);
216   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
217       MachineFunction &F,
218       const BlockChain &PlacedChain,
219       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
220       const BlockFilterSet *BlockFilter);
221   void buildChain(MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
222                   SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
223                   const BlockFilterSet *BlockFilter = 0);
224   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(MachineLoop &L,
225                                      const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
226   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(MachineFunction &F,
227                                       MachineLoop &L,
228                                       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
229   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
230   void rotateLoop(BlockChain &LoopChain, MachineBasicBlock *ExitingBB,
231                   const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
232   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
233
234 public:
235   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
236   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
237     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
238   }
239
240   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F);
241
242   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
243     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
244     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
245     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
246     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
247   }
248 };
249 }
250
251 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
252 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
253 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
254                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
255 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
256 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
257 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
258 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
259                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
260
261 #ifndef NDEBUG
262 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
263 ///
264 /// Only used by debug logging.
265 static std::string getBlockName(MachineBasicBlock *BB) {
266   std::string Result;
267   raw_string_ostream OS(Result);
268   OS << "BB#" << BB->getNumber()
269      << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
270   OS.flush();
271   return Result;
272 }
273
274 /// \brief Helper to print the number of a MBB.
275 ///
276 /// Only used by debug logging.
277 static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
278   std::string Result;
279   raw_string_ostream OS(Result);
280   OS << "BB#" << BB->getNumber();
281   OS.flush();
282   return Result;
283 }
284 #endif
285
286 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
287 ///
288 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
289 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
290 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
291 /// chain which reach the zero-predecessor state to the worklist passed in.
292 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
293     BlockChain &Chain,
294     MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
295     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
296     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
297   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
298   // a predecessor placed.
299   for (BlockChain::iterator CBI = Chain.begin(), CBE = Chain.end();
300        CBI != CBE; ++CBI) {
301     // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
302     // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
303     // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
304     // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
305     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = (*CBI)->succ_begin(),
306                                           SE = (*CBI)->succ_end();
307          SI != SE; ++SI) {
308       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
309         continue;
310       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
311       // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
312       if (&Chain == &SuccChain || *SI == LoopHeaderBB)
313         continue;
314
315       // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
316       // loop predecessor count of the destination chain.
317       if (SuccChain.LoopPredecessors > 0 && --SuccChain.LoopPredecessors == 0)
318         BlockWorkList.push_back(*SuccChain.begin());
319     }
320   }
321 }
322
323 /// \brief Select the best successor for a block.
324 ///
325 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
326 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
327 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
328 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
329 /// very hot successor edges.
330 ///
331 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
332 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
333     MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
334     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
335   const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
336
337   MachineBasicBlock *BestSucc = 0;
338   // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
339   // the MBPI analysis, we manually compute probabilities using the edge
340   // weights. This is suboptimal as it means that the somewhat subtle
341   // definition of edge weight semantics is encoded here as well. We should
342   // improve the MBPI interface to efficiently support query patterns such as
343   // this.
344   uint32_t BestWeight = 0;
345   uint32_t WeightScale = 0;
346   uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
347   DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
348   for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = BB->succ_begin(),
349                                         SE = BB->succ_end();
350        SI != SE; ++SI) {
351     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
352       continue;
353     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
354     if (&SuccChain == &Chain) {
355       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Already merged!\n");
356       continue;
357     }
358     if (*SI != *SuccChain.begin()) {
359       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Mid chain!\n");
360       continue;
361     }
362
363     uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, *SI);
364     BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
365
366     // Only consider successors which are either "hot", or wouldn't violate
367     // any CFG constraints.
368     if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
369       if (SuccProb < HotProb) {
370         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> CFG conflict\n");
371         continue;
372       }
373
374       // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more important
375       // predecessor.
376       BlockFrequency CandidateEdgeFreq
377         = MBFI->getBlockFreq(BB) * SuccProb * HotProb.getCompl();
378       bool BadCFGConflict = false;
379       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*SI)->pred_begin(),
380                                             PE = (*SI)->pred_end();
381            PI != PE; ++PI) {
382         if (*PI == *SI || (BlockFilter && !BlockFilter->count(*PI)) ||
383             BlockToChain[*PI] == &Chain)
384           continue;
385         BlockFrequency PredEdgeFreq
386           = MBFI->getBlockFreq(*PI) * MBPI->getEdgeProbability(*PI, *SI);
387         if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
388           BadCFGConflict = true;
389           break;
390         }
391       }
392       if (BadCFGConflict) {
393         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI)
394                                << " -> non-cold CFG conflict\n");
395         continue;
396       }
397     }
398
399     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
400                  << " (prob)"
401                  << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
402                  << "\n");
403     if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
404       continue;
405     BestSucc = *SI;
406     BestWeight = SuccWeight;
407   }
408   return BestSucc;
409 }
410
411 namespace {
412 /// \brief Predicate struct to detect blocks already placed.
413 class IsBlockPlaced {
414   const BlockChain &PlacedChain;
415   const BlockToChainMapType &BlockToChain;
416
417 public:
418   IsBlockPlaced(const BlockChain &PlacedChain,
419                 const BlockToChainMapType &BlockToChain)
420       : PlacedChain(PlacedChain), BlockToChain(BlockToChain) {}
421
422   bool operator()(MachineBasicBlock *BB) const {
423     return BlockToChain.lookup(BB) == &PlacedChain;
424   }
425 };
426 }
427
428 /// \brief Select the best block from a worklist.
429 ///
430 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
431 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
432 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
433 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
434 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
435 /// loop body in order to improve icache behavior.
436 ///
437 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
438 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
439     BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
440     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
441   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
442   // worklist of already placed entries.
443   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
444   // some code complexity) into the loop below.
445   WorkList.erase(std::remove_if(WorkList.begin(), WorkList.end(),
446                                 IsBlockPlaced(Chain, BlockToChain)),
447                  WorkList.end());
448
449   MachineBasicBlock *BestBlock = 0;
450   BlockFrequency BestFreq;
451   for (SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator WBI = WorkList.begin(),
452                                                       WBE = WorkList.end();
453        WBI != WBE; ++WBI) {
454     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*WBI];
455     if (&SuccChain == &Chain) {
456       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI)
457                    << " -> Already merged!\n");
458       continue;
459     }
460     assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
461
462     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(*WBI);
463     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI) << " -> " << CandidateFreq
464                  << " (freq)\n");
465     if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
466       continue;
467     BestBlock = *WBI;
468     BestFreq = CandidateFreq;
469   }
470   return BestBlock;
471 }
472
473 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
474 ///
475 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
476 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
477 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
478 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
479 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
480 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
481     MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
482     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
483     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
484   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
485        ++I) {
486     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(I))
487       continue;
488     if (BlockToChain[I] != &PlacedChain) {
489       PrevUnplacedBlockIt = I;
490       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
491       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
492       // and satisfies the requirements of merging chains.
493       return *BlockToChain[I]->begin();
494     }
495   }
496   return 0;
497 }
498
499 void MachineBlockPlacement::buildChain(
500     MachineBasicBlock *BB,
501     BlockChain &Chain,
502     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
503     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
504   assert(BB);
505   assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
506   MachineFunction &F = *BB->getParent();
507   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F.begin();
508
509   MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
510   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
511   BB = *llvm::prior(Chain.end());
512   for (;;) {
513     assert(BB);
514     assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
515     assert(*llvm::prior(Chain.end()) == BB);
516
517     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
518     // after this block.
519     MachineBasicBlock *BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
520
521     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
522     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
523     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
524     if (!BestSucc)
525       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
526
527     if (!BestSucc) {
528       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt,
529                                        BlockFilter);
530       if (!BestSucc)
531         break;
532
533       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
534                       "layout successor until the CFG reduces\n");
535     }
536
537     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
538     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
539     // Zero out LoopPredecessors for the successor we're about to merge in case
540     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
541     SuccChain.LoopPredecessors = 0;
542     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB)
543                  << " to " << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
544     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
545     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
546     BB = *llvm::prior(Chain.end());
547   }
548
549   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
550                << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
551 }
552
553 /// \brief Find the best loop top block for layout.
554 ///
555 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
556 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
557 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
558 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
559 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
560 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
561 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
562 /// header is always profitable.
563 MachineBasicBlock *
564 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(MachineLoop &L,
565                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
566   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
567   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
568   // prevent pulling the preheader into the loop body.
569   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
570   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
571     return L.getHeader();
572
573   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: "
574                << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
575
576   BlockFrequency BestPredFreq;
577   MachineBasicBlock *BestPred = 0;
578   for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = L.getHeader()->pred_begin(),
579                                         PE = L.getHeader()->pred_end();
580        PI != PE; ++PI) {
581     MachineBasicBlock *Pred = *PI;
582     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
583       continue;
584     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", "
585                  << Pred->succ_size() << " successors, "
586                  << MBFI->getBlockFreq(Pred) << " freq\n");
587     if (Pred->succ_size() > 1)
588       continue;
589
590     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
591     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
592         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
593          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
594       BestPred = Pred;
595       BestPredFreq = PredFreq;
596     }
597   }
598
599   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
600   if (!BestPred)
601     return L.getHeader();
602
603   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
604   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
605          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
606          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
607     BestPred = *BestPred->pred_begin();
608
609   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
610   return BestPred;
611 }
612
613
614 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
615 ///
616 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
617 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
618 /// fallthrough opportunities.
619 MachineBasicBlock *
620 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(MachineFunction &F,
621                                         MachineLoop &L,
622                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
623   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
624   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
625   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
626   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
627   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
628   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
629   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
630   // header and only rotate if safe.
631   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
632   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
633     return 0;
634
635   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
636   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
637   MachineBasicBlock *ExitingBB = 0;
638   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
639   // fallthrough opportunites unless it selects such an exit. Keep a set of
640   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
641   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
642
643   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: "
644                << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
645   for (MachineLoop::block_iterator I = L.block_begin(),
646                                    E = L.block_end();
647        I != E; ++I) {
648     BlockChain &Chain = *BlockToChain[*I];
649     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
650     // mid-way through an inner loop or a successor of an analyzable branch.
651     if (*I != *llvm::prior(Chain.end()))
652       continue;
653
654     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
655     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
656     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
657     // successor isn't found.
658     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
659     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
660     bool HasLoopingSucc = false;
661     // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
662     // the MBPI analysis, we use the internal weights and manually compute the
663     // probabilities to avoid quadratic behavior.
664     uint32_t WeightScale = 0;
665     uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(*I, WeightScale);
666     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = (*I)->succ_begin(),
667                                           SE = (*I)->succ_end();
668          SI != SE; ++SI) {
669       if ((*SI)->isLandingPad())
670         continue;
671       if (*SI == *I)
672         continue;
673       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
674       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
675       if (&Chain == &SuccChain) {
676         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(*I) << " -> "
677                      << getBlockName(*SI) << " (chain conflict)\n");
678         continue;
679       }
680
681       uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(*I, *SI);
682       if (LoopBlockSet.count(*SI)) {
683         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(*I) << " -> "
684                      << getBlockName(*SI) << " (" << SuccWeight << ")\n");
685         HasLoopingSucc = true;
686         continue;
687       }
688
689       unsigned SuccLoopDepth = 0;
690       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(*SI)) {
691         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
692         if (ExitLoop->contains(&L))
693           BlocksExitingToOuterLoop.insert(*I);
694       }
695
696       BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
697       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(*I) * SuccProb;
698       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(*I) << " -> "
699                    << getBlockName(*SI) << " [L:" << SuccLoopDepth
700                    << "] (" << ExitEdgeFreq << ")\n");
701       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
702       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
703       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
704       // the layout.
705       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
706       if (!ExitingBB || BestExitLoopDepth < SuccLoopDepth ||
707           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
708           ((*I)->isLayoutSuccessor(*SI) &&
709            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
710         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
711         ExitingBB = *I;
712       }
713     }
714
715     // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
716     if (!HasLoopingSucc) {
717       ExitingBB = OldExitingBB;
718       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
719       continue;
720     }
721   }
722   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
723   // loop, just use the loop header to layout the loop.
724   if (!ExitingBB || L.getNumBlocks() == 1)
725     return 0;
726
727   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
728   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
729   // rotation altogether.
730   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
731       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
732     return 0;
733
734   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
735   return ExitingBB;
736 }
737
738 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
739 ///
740 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
741 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
742 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
743 /// of its bottom already, don't rotate it.
744 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
745                                        MachineBasicBlock *ExitingBB,
746                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
747   if (!ExitingBB)
748     return;
749
750   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
751   bool ViableTopFallthrough = false;
752   for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = Top->pred_begin(),
753                                         PE = Top->pred_end();
754        PI != PE; ++PI) {
755     BlockChain *PredChain = BlockToChain[*PI];
756     if (!LoopBlockSet.count(*PI) &&
757         (!PredChain || *PI == *llvm::prior(PredChain->end()))) {
758       ViableTopFallthrough = true;
759       break;
760     }
761   }
762
763   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
764   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
765   // introduce an unnecessary branch.
766   if (ViableTopFallthrough) {
767     MachineBasicBlock *Bottom = *llvm::prior(LoopChain.end());
768     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = Bottom->succ_begin(),
769                                           SE = Bottom->succ_end();
770          SI != SE; ++SI) {
771       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[*SI];
772       if (!LoopBlockSet.count(*SI) &&
773           (!SuccChain || *SI == *SuccChain->begin()))
774         return;
775     }
776   }
777
778   BlockChain::iterator ExitIt = std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(),
779                                           ExitingBB);
780   if (ExitIt == LoopChain.end())
781     return;
782
783   std::rotate(LoopChain.begin(), llvm::next(ExitIt), LoopChain.end());
784 }
785
786 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
787 ///
788 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
789 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
790 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
791 /// branches.
792 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
793                                             MachineLoop &L) {
794   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
795   // loops.
796   for (MachineLoop::iterator LI = L.begin(), LE = L.end(); LI != LE; ++LI)
797     buildLoopChains(F, **LI);
798
799   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
800   BlockFilterSet LoopBlockSet(L.block_begin(), L.block_end());
801
802   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
803   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
804   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
805   // fewer branches in the loop body.
806   MachineBasicBlock *LoopTop = findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
807
808   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
809   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
810   // branches by placing an exit edge at the bottom.
811   MachineBasicBlock *ExitingBB = 0;
812   if (LoopTop == L.getHeader())
813     ExitingBB = findBestLoopExit(F, L, LoopBlockSet);
814
815   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
816
817   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
818   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
819   // twice.
820   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
821   assert(LoopChain.LoopPredecessors == 0);
822   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
823   for (MachineLoop::block_iterator BI = L.block_begin(),
824                                    BE = L.block_end();
825        BI != BE; ++BI) {
826     BlockChain &Chain = *BlockToChain[*BI];
827     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
828       continue;
829
830     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
831     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
832          BCI != BCE; ++BCI) {
833       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
834       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
835                                             PE = (*BCI)->pred_end();
836            PI != PE; ++PI) {
837         if (BlockToChain[*PI] == &Chain || !LoopBlockSet.count(*PI))
838           continue;
839         ++Chain.LoopPredecessors;
840       }
841     }
842
843     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
844       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
845   }
846
847   buildChain(LoopTop, LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
848   rotateLoop(LoopChain, ExitingBB, LoopBlockSet);
849
850   DEBUG({
851     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
852     bool BadLoop = false;
853     if (LoopChain.LoopPredecessors) {
854       BadLoop = true;
855       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
856              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
857              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
858     }
859     for (BlockChain::iterator BCI = LoopChain.begin(), BCE = LoopChain.end();
860          BCI != BCE; ++BCI) {
861       dbgs() << "          ... " << getBlockName(*BCI) << "\n";
862       if (!LoopBlockSet.erase(*BCI)) {
863         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
864         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
865         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
866         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
867                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
868                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
869                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
870       }
871     }
872
873     if (!LoopBlockSet.empty()) {
874       BadLoop = true;
875       for (BlockFilterSet::iterator LBI = LoopBlockSet.begin(),
876                                     LBE = LoopBlockSet.end();
877            LBI != LBE; ++LBI)
878         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
879                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
880                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
881                << "  Bad block:    " << getBlockName(*LBI) << "\n";
882     }
883     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
884   });
885 }
886
887 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
888   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
889   // the assumptions of the remaining algorithm.
890   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
891   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
892     MachineBasicBlock *BB = FI;
893     BlockChain *Chain
894       = new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
895     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
896     // the exact fallthrough behavior for.
897     for (;;) {
898       Cond.clear();
899       MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
900       if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
901         break;
902
903       MachineFunction::iterator NextFI(llvm::next(FI));
904       MachineBasicBlock *NextBB = NextFI;
905       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
906       // fallthrough is a possibility.
907       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
908       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
909                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
910                    << "\n");
911       Chain->merge(NextBB, 0);
912       FI = NextFI;
913       BB = NextBB;
914     }
915   }
916
917   // Build any loop-based chains.
918   for (MachineLoopInfo::iterator LI = MLI->begin(), LE = MLI->end(); LI != LE;
919        ++LI)
920     buildLoopChains(F, **LI);
921
922   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
923
924   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
925   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
926     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
927     BlockChain &Chain = *BlockToChain[BB];
928     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
929       continue;
930
931     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
932     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
933          BCI != BCE; ++BCI) {
934       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
935       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
936                                             PE = (*BCI)->pred_end();
937            PI != PE; ++PI) {
938         if (BlockToChain[*PI] == &Chain)
939           continue;
940         ++Chain.LoopPredecessors;
941       }
942     }
943
944     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
945       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
946   }
947
948   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F.front()];
949   buildChain(&F.front(), FunctionChain, BlockWorkList);
950
951   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
952   DEBUG({
953     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
954     bool BadFunc = false;
955     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
956     for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
957       FunctionBlockSet.insert(FI);
958
959     for (BlockChain::iterator BCI = FunctionChain.begin(),
960                               BCE = FunctionChain.end();
961          BCI != BCE; ++BCI)
962       if (!FunctionBlockSet.erase(*BCI)) {
963         BadFunc = true;
964         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
965                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
966       }
967
968     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
969       BadFunc = true;
970       for (FunctionBlockSetType::iterator FBI = FunctionBlockSet.begin(),
971                                           FBE = FunctionBlockSet.end();
972            FBI != FBE; ++FBI)
973         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
974                << "  Bad block:    " << getBlockName(*FBI) << "\n";
975     }
976     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
977   });
978
979   // Splice the blocks into place.
980   MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
981   for (BlockChain::iterator BI = FunctionChain.begin(),
982                             BE = FunctionChain.end();
983        BI != BE; ++BI) {
984     DEBUG(dbgs() << (BI == FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
985                                                   : "          ... ")
986           << getBlockName(*BI) << "\n");
987     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(*BI))
988       F.splice(InsertPos, *BI);
989     else
990       ++InsertPos;
991
992     // Update the terminator of the previous block.
993     if (BI == FunctionChain.begin())
994       continue;
995     MachineBasicBlock *PrevBB = llvm::prior(MachineFunction::iterator(*BI));
996
997     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
998     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
999     // boiler plate.
1000     Cond.clear();
1001     MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
1002     if (!TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
1003       // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
1004       //   o. it may fall-through to a block without explict "goto" instruction
1005       //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or 
1006       //   o. just opposite.
1007       // 
1008       // AnalyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
1009       // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set
1010       // NULL; for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL,
1011       // is mistakenly pointing to "*BI".
1012       //
1013       bool needUpdateBr = true;
1014       if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == *BI)) {
1015         PrevBB->updateTerminator();
1016         needUpdateBr = false;
1017         Cond.clear();
1018         TBB = FBB = 0;
1019         if (TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
1020           // FIXME: This should never take place.
1021           TBB = FBB = 0;
1022         }
1023       }
1024
1025       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
1026       // such that we branch to the successor with higher weight first.
1027       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
1028           MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB) > MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) &&
1029           !TII->ReverseBranchCondition(Cond)) {
1030         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
1031                      << getBlockName(PrevBB) << "\n");
1032         DEBUG(dbgs() << "    Edge weight: " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB)
1033                      << " vs " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) << "\n");
1034         DebugLoc dl;  // FIXME: this is nowhere
1035         TII->RemoveBranch(*PrevBB);
1036         TII->InsertBranch(*PrevBB, FBB, TBB, Cond, dl);
1037         needUpdateBr = true;
1038       }
1039       if (needUpdateBr)
1040         PrevBB->updateTerminator();
1041     }
1042   }
1043
1044   // Fixup the last block.
1045   Cond.clear();
1046   MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
1047   if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
1048     F.back().updateTerminator();
1049
1050   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
1051   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
1052   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
1053   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
1054   // loop rotations done during this layout pass.
1055   if (F.getFunction()->getAttributes().
1056         hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex, Attribute::OptimizeForSize))
1057     return;
1058   unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
1059   if (!Align)
1060     return;  // Don't care about loop alignment.
1061   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
1062     return;  // Empty chain.
1063
1064   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
1065   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(F.begin());
1066   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
1067   for (BlockChain::iterator BI = llvm::next(FunctionChain.begin()),
1068                             BE = FunctionChain.end();
1069        BI != BE; ++BI) {
1070     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
1071     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
1072     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
1073     // rotated loops.
1074     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(*BI);
1075     if (!L)
1076       continue;
1077
1078     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
1079     // aligning it.
1080     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(*BI);
1081     if (Freq < WeightedEntryFreq)
1082       continue;
1083
1084     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
1085     // regardless of what edges into the block exist.
1086     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
1087     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
1088     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
1089       continue;
1090
1091     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
1092     // from aligning this block.
1093     MachineBasicBlock *LayoutPred = *llvm::prior(BI);
1094
1095     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
1096     // that the block isn't cold above.
1097     if (!LayoutPred->isSuccessor(*BI)) {
1098       (*BI)->setAlignment(Align);
1099       continue;
1100     }
1101
1102     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
1103     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
1104     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
1105     // important.
1106     BranchProbability LayoutProb = MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, *BI);
1107     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
1108     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
1109       (*BI)->setAlignment(Align);
1110   }
1111 }
1112
1113 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1114   // Check for single-block functions and skip them.
1115   if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
1116     return false;
1117
1118   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1119   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1120   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
1121   TII = F.getTarget().getInstrInfo();
1122   TLI = F.getTarget().getTargetLowering();
1123   assert(BlockToChain.empty());
1124
1125   buildCFGChains(F);
1126
1127   BlockToChain.clear();
1128   ChainAllocator.DestroyAll();
1129
1130   if (AlignAllBlock)
1131     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
1132     for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end();
1133          FI != FE; ++FI)
1134       FI->setAlignment(AlignAllBlock);
1135
1136   // We always return true as we have no way to track whether the final order
1137   // differs from the original order.
1138   return true;
1139 }
1140
1141 namespace {
1142 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
1143 ///
1144 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
1145 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
1146 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
1147 /// alternative placement strategies.
1148 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
1149   /// \brief A handle to the branch probability pass.
1150   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
1151
1152   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
1153   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
1154
1155 public:
1156   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
1157   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
1158     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1159   }
1160
1161   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F);
1162
1163   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
1164     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
1165     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
1166     AU.setPreservesAll();
1167     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
1168   }
1169 };
1170 }
1171
1172 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
1173 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
1174 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1175                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
1176 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
1177 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
1178 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1179                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
1180
1181 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1182   // Check for single-block functions and skip them.
1183   if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
1184     return false;
1185
1186   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1187   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1188
1189   for (MachineFunction::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
1190     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(I);
1191     Statistic &NumBranches = (I->succ_size() > 1) ? NumCondBranches
1192                                                   : NumUncondBranches;
1193     Statistic &BranchTakenFreq = (I->succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq
1194                                                       : UncondBranchTakenFreq;
1195     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = I->succ_begin(),
1196                                           SE = I->succ_end();
1197          SI != SE; ++SI) {
1198       // Skip if this successor is a fallthrough.
1199       if (I->isLayoutSuccessor(*SI))
1200         continue;
1201
1202       BlockFrequency EdgeFreq = BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(I, *SI);
1203       ++NumBranches;
1204       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
1205     }
1206   }
1207
1208   return false;
1209 }
1210