74af1e2d64b02d2acc15c0acb98ca05a4378c2cf
[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 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
29 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
34 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
35 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
36 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
40 #include "llvm/Support/Allocator.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
44 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
45 #include <algorithm>
46 using namespace llvm;
47
48 #define DEBUG_TYPE "block-placement2"
49
50 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
51 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of uncondittional branches");
52 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
53           "Potential frequency of taking conditional branches");
54 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
55           "Potential frequency of taking unconditional branches");
56
57 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
58                                        cl::desc("Force the alignment of all "
59                                                 "blocks in the function."),
60                                        cl::init(0), cl::Hidden);
61
62 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
63 static cl::opt<unsigned>
64 ExitBlockBias("block-placement-exit-block-bias",
65               cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
66                        "over the original exit to be considered the new exit."),
67               cl::init(0), cl::Hidden);
68
69 namespace {
70 class BlockChain;
71 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
72 typedef DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
73 }
74
75 namespace {
76 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
77 ///
78 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
79 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
80 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
81 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
82 /// requirement for sequential layout.
83 ///
84 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
85 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
86 /// automatically as chains are merged together.
87 class BlockChain {
88   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
89   ///
90   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
91   /// out in-order within the function.
92   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
93
94   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
95   ///
96   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
97   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
98   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
99   /// structure.
100   BlockToChainMapType &BlockToChain;
101
102 public:
103   /// \brief Construct a new BlockChain.
104   ///
105   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
106   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
107   /// in with the BlockToChain mapping.
108   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
109     : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), LoopPredecessors(0) {
110     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
111     BlockToChain[BB] = this;
112   }
113
114   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
115   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
116
117   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
118   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
119
120   /// \brief End of blocks within the chain.
121   iterator end() { return Blocks.end(); }
122
123   /// \brief Merge a block chain into this one.
124   ///
125   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
126   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
127   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
128   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
129   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
130     assert(BB);
131     assert(!Blocks.empty());
132
133     // Fast path in case we don't have a chain already.
134     if (!Chain) {
135       assert(!BlockToChain[BB]);
136       Blocks.push_back(BB);
137       BlockToChain[BB] = this;
138       return;
139     }
140
141     assert(BB == *Chain->begin());
142     assert(Chain->begin() != Chain->end());
143
144     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
145     // chain structure.
146     for (BlockChain::iterator BI = Chain->begin(), BE = Chain->end();
147          BI != BE; ++BI) {
148       Blocks.push_back(*BI);
149       assert(BlockToChain[*BI] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
150       BlockToChain[*BI] = this;
151     }
152   }
153
154 #ifndef NDEBUG
155   /// \brief Dump the blocks in this chain.
156   LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
157     for (iterator I = begin(), E = end(); I != E; ++I)
158       (*I)->dump();
159   }
160 #endif // NDEBUG
161
162   /// \brief Count of predecessors within the loop currently being processed.
163   ///
164   /// This count is updated at each loop we process to represent the number of
165   /// in-loop predecessors of this chain.
166   unsigned LoopPredecessors;
167 };
168 }
169
170 namespace {
171 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
172   /// \brief A typedef for a block filter set.
173   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
174
175   /// \brief A handle to the branch probability pass.
176   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
177
178   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
179   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
180
181   /// \brief A handle to the loop info.
182   const MachineLoopInfo *MLI;
183
184   /// \brief A handle to the target's instruction info.
185   const TargetInstrInfo *TII;
186
187   /// \brief A handle to the target's lowering info.
188   const TargetLoweringBase *TLI;
189
190   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
191   ///
192   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
193   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
194   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
195   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
196   /// the chains.
197   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
198
199   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
200   ///
201   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
202   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
203   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
204   /// between basic blocks.
205   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
206
207   void markChainSuccessors(BlockChain &Chain,
208                            MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
209                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
210                            const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
211   MachineBasicBlock *selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
212                                          BlockChain &Chain,
213                                          const BlockFilterSet *BlockFilter);
214   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
215       BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
216       const BlockFilterSet *BlockFilter);
217   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
218       MachineFunction &F,
219       const BlockChain &PlacedChain,
220       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
221       const BlockFilterSet *BlockFilter);
222   void buildChain(MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
223                   SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
224                   const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
225   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(MachineLoop &L,
226                                      const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
227   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(MachineFunction &F,
228                                       MachineLoop &L,
229                                       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
230   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
231   void rotateLoop(BlockChain &LoopChain, MachineBasicBlock *ExitingBB,
232                   const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
233   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
234
235 public:
236   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
237   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
238     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
239   }
240
241   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
242
243   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
244     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
245     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
246     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
247     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
248   }
249 };
250 }
251
252 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
253 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
254 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
255                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
256 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
257 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
258 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
259 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
260                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
261
262 #ifndef NDEBUG
263 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
264 ///
265 /// Only used by debug logging.
266 static std::string getBlockName(MachineBasicBlock *BB) {
267   std::string Result;
268   raw_string_ostream OS(Result);
269   OS << "BB#" << BB->getNumber()
270      << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
271   OS.flush();
272   return Result;
273 }
274
275 /// \brief Helper to print the number of a MBB.
276 ///
277 /// Only used by debug logging.
278 static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
279   std::string Result;
280   raw_string_ostream OS(Result);
281   OS << "BB#" << BB->getNumber();
282   OS.flush();
283   return Result;
284 }
285 #endif
286
287 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
288 ///
289 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
290 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
291 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
292 /// chain which reach the zero-predecessor state to the worklist passed in.
293 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
294     BlockChain &Chain,
295     MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
296     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
297     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
298   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
299   // a predecessor placed.
300   for (BlockChain::iterator CBI = Chain.begin(), CBE = Chain.end();
301        CBI != CBE; ++CBI) {
302     // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
303     // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
304     // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
305     // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
306     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = (*CBI)->succ_begin(),
307                                           SE = (*CBI)->succ_end();
308          SI != SE; ++SI) {
309       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
310         continue;
311       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
312       // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
313       if (&Chain == &SuccChain || *SI == LoopHeaderBB)
314         continue;
315
316       // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
317       // loop predecessor count of the destination chain.
318       if (SuccChain.LoopPredecessors > 0 && --SuccChain.LoopPredecessors == 0)
319         BlockWorkList.push_back(*SuccChain.begin());
320     }
321   }
322 }
323
324 /// \brief Select the best successor for a block.
325 ///
326 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
327 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
328 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
329 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
330 /// very hot successor edges.
331 ///
332 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
333 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
334     MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
335     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
336   const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
337
338   MachineBasicBlock *BestSucc = nullptr;
339   // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
340   // the MBPI analysis, we manually compute probabilities using the edge
341   // weights. This is suboptimal as it means that the somewhat subtle
342   // definition of edge weight semantics is encoded here as well. We should
343   // improve the MBPI interface to efficiently support query patterns such as
344   // this.
345   uint32_t BestWeight = 0;
346   uint32_t WeightScale = 0;
347   uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
348   DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
349   for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = BB->succ_begin(),
350                                         SE = BB->succ_end();
351        SI != SE; ++SI) {
352     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
353       continue;
354     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
355     if (&SuccChain == &Chain) {
356       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Already merged!\n");
357       continue;
358     }
359     if (*SI != *SuccChain.begin()) {
360       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Mid chain!\n");
361       continue;
362     }
363
364     uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, *SI);
365     BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
366
367     // Only consider successors which are either "hot", or wouldn't violate
368     // any CFG constraints.
369     if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
370       if (SuccProb < HotProb) {
371         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
372                      << " (prob) (CFG conflict)\n");
373         continue;
374       }
375
376       // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more important
377       // predecessor.
378       BlockFrequency CandidateEdgeFreq
379         = MBFI->getBlockFreq(BB) * SuccProb * HotProb.getCompl();
380       bool BadCFGConflict = false;
381       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*SI)->pred_begin(),
382                                             PE = (*SI)->pred_end();
383            PI != PE; ++PI) {
384         if (*PI == *SI || (BlockFilter && !BlockFilter->count(*PI)) ||
385             BlockToChain[*PI] == &Chain)
386           continue;
387         BlockFrequency PredEdgeFreq
388           = MBFI->getBlockFreq(*PI) * MBPI->getEdgeProbability(*PI, *SI);
389         if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
390           BadCFGConflict = true;
391           break;
392         }
393       }
394       if (BadCFGConflict) {
395         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
396                      << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
397         continue;
398       }
399     }
400
401     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
402                  << " (prob)"
403                  << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
404                  << "\n");
405     if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
406       continue;
407     BestSucc = *SI;
408     BestWeight = SuccWeight;
409   }
410   return BestSucc;
411 }
412
413 /// \brief Select the best block from a worklist.
414 ///
415 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
416 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
417 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
418 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
419 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
420 /// loop body in order to improve icache behavior.
421 ///
422 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
423 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
424     BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
425     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
426   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
427   // worklist of already placed entries.
428   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
429   // some code complexity) into the loop below.
430   WorkList.erase(std::remove_if(WorkList.begin(), WorkList.end(),
431                                 [&](MachineBasicBlock *BB) {
432                    return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
433                  }),
434                  WorkList.end());
435
436   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
437   BlockFrequency BestFreq;
438   for (SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator WBI = WorkList.begin(),
439                                                       WBE = WorkList.end();
440        WBI != WBE; ++WBI) {
441     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*WBI];
442     if (&SuccChain == &Chain) {
443       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI)
444                    << " -> Already merged!\n");
445       continue;
446     }
447     assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
448
449     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(*WBI);
450     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI) << " -> ";
451                  MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
452     if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
453       continue;
454     BestBlock = *WBI;
455     BestFreq = CandidateFreq;
456   }
457   return BestBlock;
458 }
459
460 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
461 ///
462 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
463 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
464 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
465 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
466 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
467 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
468     MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
469     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
470     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
471   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
472        ++I) {
473     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(I))
474       continue;
475     if (BlockToChain[I] != &PlacedChain) {
476       PrevUnplacedBlockIt = I;
477       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
478       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
479       // and satisfies the requirements of merging chains.
480       return *BlockToChain[I]->begin();
481     }
482   }
483   return nullptr;
484 }
485
486 void MachineBlockPlacement::buildChain(
487     MachineBasicBlock *BB,
488     BlockChain &Chain,
489     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
490     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
491   assert(BB);
492   assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
493   MachineFunction &F = *BB->getParent();
494   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F.begin();
495
496   MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
497   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
498   BB = *std::prev(Chain.end());
499   for (;;) {
500     assert(BB);
501     assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
502     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB);
503
504     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
505     // after this block.
506     MachineBasicBlock *BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
507
508     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
509     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
510     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
511     if (!BestSucc)
512       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
513
514     if (!BestSucc) {
515       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt,
516                                        BlockFilter);
517       if (!BestSucc)
518         break;
519
520       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
521                       "layout successor until the CFG reduces\n");
522     }
523
524     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
525     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
526     // Zero out LoopPredecessors for the successor we're about to merge in case
527     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
528     SuccChain.LoopPredecessors = 0;
529     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB)
530                  << " to " << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
531     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
532     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
533     BB = *std::prev(Chain.end());
534   }
535
536   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
537                << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
538 }
539
540 /// \brief Find the best loop top block for layout.
541 ///
542 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
543 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
544 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
545 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
546 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
547 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
548 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
549 /// header is always profitable.
550 MachineBasicBlock *
551 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(MachineLoop &L,
552                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
553   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
554   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
555   // prevent pulling the preheader into the loop body.
556   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
557   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
558     return L.getHeader();
559
560   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: "
561                << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
562
563   BlockFrequency BestPredFreq;
564   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
565   for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = L.getHeader()->pred_begin(),
566                                         PE = L.getHeader()->pred_end();
567        PI != PE; ++PI) {
568     MachineBasicBlock *Pred = *PI;
569     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
570       continue;
571     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", "
572                  << Pred->succ_size() << " successors, ";
573                  MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
574     if (Pred->succ_size() > 1)
575       continue;
576
577     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
578     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
579         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
580          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
581       BestPred = Pred;
582       BestPredFreq = PredFreq;
583     }
584   }
585
586   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
587   if (!BestPred)
588     return L.getHeader();
589
590   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
591   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
592          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
593          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
594     BestPred = *BestPred->pred_begin();
595
596   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
597   return BestPred;
598 }
599
600
601 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
602 ///
603 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
604 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
605 /// fallthrough opportunities.
606 MachineBasicBlock *
607 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(MachineFunction &F,
608                                         MachineLoop &L,
609                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
610   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
611   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
612   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
613   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
614   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
615   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
616   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
617   // header and only rotate if safe.
618   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
619   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
620     return nullptr;
621
622   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
623   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
624   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
625   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
626   // fallthrough opportunites unless it selects such an exit. Keep a set of
627   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
628   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
629
630   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: "
631                << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
632   for (MachineLoop::block_iterator I = L.block_begin(),
633                                    E = L.block_end();
634        I != E; ++I) {
635     BlockChain &Chain = *BlockToChain[*I];
636     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
637     // mid-way through an inner loop or a successor of an analyzable branch.
638     if (*I != *std::prev(Chain.end()))
639       continue;
640
641     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
642     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
643     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
644     // successor isn't found.
645     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
646     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
647     bool HasLoopingSucc = false;
648     // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
649     // the MBPI analysis, we use the internal weights and manually compute the
650     // probabilities to avoid quadratic behavior.
651     uint32_t WeightScale = 0;
652     uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(*I, WeightScale);
653     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = (*I)->succ_begin(),
654                                           SE = (*I)->succ_end();
655          SI != SE; ++SI) {
656       if ((*SI)->isLandingPad())
657         continue;
658       if (*SI == *I)
659         continue;
660       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
661       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
662       if (&Chain == &SuccChain) {
663         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(*I) << " -> "
664                      << getBlockName(*SI) << " (chain conflict)\n");
665         continue;
666       }
667
668       uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(*I, *SI);
669       if (LoopBlockSet.count(*SI)) {
670         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(*I) << " -> "
671                      << getBlockName(*SI) << " (" << SuccWeight << ")\n");
672         HasLoopingSucc = true;
673         continue;
674       }
675
676       unsigned SuccLoopDepth = 0;
677       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(*SI)) {
678         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
679         if (ExitLoop->contains(&L))
680           BlocksExitingToOuterLoop.insert(*I);
681       }
682
683       BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
684       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(*I) * SuccProb;
685       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(*I) << " -> "
686                    << getBlockName(*SI) << " [L:" << SuccLoopDepth
687                    << "] (";
688                    MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
689       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
690       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
691       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
692       // the layout.
693       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
694       if (!ExitingBB || BestExitLoopDepth < SuccLoopDepth ||
695           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
696           ((*I)->isLayoutSuccessor(*SI) &&
697            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
698         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
699         ExitingBB = *I;
700       }
701     }
702
703     // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
704     if (!HasLoopingSucc) {
705       ExitingBB = OldExitingBB;
706       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
707       continue;
708     }
709   }
710   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
711   // loop, just use the loop header to layout the loop.
712   if (!ExitingBB || L.getNumBlocks() == 1)
713     return nullptr;
714
715   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
716   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
717   // rotation altogether.
718   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
719       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
720     return nullptr;
721
722   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
723   return ExitingBB;
724 }
725
726 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
727 ///
728 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
729 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
730 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
731 /// of its bottom already, don't rotate it.
732 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
733                                        MachineBasicBlock *ExitingBB,
734                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
735   if (!ExitingBB)
736     return;
737
738   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
739   bool ViableTopFallthrough = false;
740   for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = Top->pred_begin(),
741                                         PE = Top->pred_end();
742        PI != PE; ++PI) {
743     BlockChain *PredChain = BlockToChain[*PI];
744     if (!LoopBlockSet.count(*PI) &&
745         (!PredChain || *PI == *std::prev(PredChain->end()))) {
746       ViableTopFallthrough = true;
747       break;
748     }
749   }
750
751   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
752   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
753   // introduce an unnecessary branch.
754   if (ViableTopFallthrough) {
755     MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
756     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = Bottom->succ_begin(),
757                                           SE = Bottom->succ_end();
758          SI != SE; ++SI) {
759       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[*SI];
760       if (!LoopBlockSet.count(*SI) &&
761           (!SuccChain || *SI == *SuccChain->begin()))
762         return;
763     }
764   }
765
766   BlockChain::iterator ExitIt = std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(),
767                                           ExitingBB);
768   if (ExitIt == LoopChain.end())
769     return;
770
771   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
772 }
773
774 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
775 ///
776 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
777 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
778 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
779 /// branches.
780 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
781                                             MachineLoop &L) {
782   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
783   // loops.
784   for (MachineLoop::iterator LI = L.begin(), LE = L.end(); LI != LE; ++LI)
785     buildLoopChains(F, **LI);
786
787   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
788   BlockFilterSet LoopBlockSet(L.block_begin(), L.block_end());
789
790   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
791   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
792   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
793   // fewer branches in the loop body.
794   MachineBasicBlock *LoopTop = findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
795
796   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
797   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
798   // branches by placing an exit edge at the bottom.
799   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
800   if (LoopTop == L.getHeader())
801     ExitingBB = findBestLoopExit(F, L, LoopBlockSet);
802
803   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
804
805   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
806   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
807   // twice.
808   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
809   assert(LoopChain.LoopPredecessors == 0);
810   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
811   for (MachineLoop::block_iterator BI = L.block_begin(),
812                                    BE = L.block_end();
813        BI != BE; ++BI) {
814     BlockChain &Chain = *BlockToChain[*BI];
815     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
816       continue;
817
818     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
819     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
820          BCI != BCE; ++BCI) {
821       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
822       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
823                                             PE = (*BCI)->pred_end();
824            PI != PE; ++PI) {
825         if (BlockToChain[*PI] == &Chain || !LoopBlockSet.count(*PI))
826           continue;
827         ++Chain.LoopPredecessors;
828       }
829     }
830
831     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
832       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
833   }
834
835   buildChain(LoopTop, LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
836   rotateLoop(LoopChain, ExitingBB, LoopBlockSet);
837
838   DEBUG({
839     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
840     bool BadLoop = false;
841     if (LoopChain.LoopPredecessors) {
842       BadLoop = true;
843       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
844              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
845              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
846     }
847     for (BlockChain::iterator BCI = LoopChain.begin(), BCE = LoopChain.end();
848          BCI != BCE; ++BCI) {
849       dbgs() << "          ... " << getBlockName(*BCI) << "\n";
850       if (!LoopBlockSet.erase(*BCI)) {
851         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
852         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
853         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
854         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
855                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
856                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
857                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
858       }
859     }
860
861     if (!LoopBlockSet.empty()) {
862       BadLoop = true;
863       for (BlockFilterSet::iterator LBI = LoopBlockSet.begin(),
864                                     LBE = LoopBlockSet.end();
865            LBI != LBE; ++LBI)
866         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
867                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
868                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
869                << "  Bad block:    " << getBlockName(*LBI) << "\n";
870     }
871     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
872   });
873 }
874
875 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
876   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
877   // the assumptions of the remaining algorithm.
878   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
879   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
880     MachineBasicBlock *BB = FI;
881     BlockChain *Chain
882       = new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
883     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
884     // the exact fallthrough behavior for.
885     for (;;) {
886       Cond.clear();
887       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
888       if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
889         break;
890
891       MachineFunction::iterator NextFI(std::next(FI));
892       MachineBasicBlock *NextBB = NextFI;
893       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
894       // fallthrough is a possibility.
895       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
896       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
897                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
898                    << "\n");
899       Chain->merge(NextBB, nullptr);
900       FI = NextFI;
901       BB = NextBB;
902     }
903   }
904
905   // Build any loop-based chains.
906   for (MachineLoopInfo::iterator LI = MLI->begin(), LE = MLI->end(); LI != LE;
907        ++LI)
908     buildLoopChains(F, **LI);
909
910   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
911
912   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
913   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
914     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
915     BlockChain &Chain = *BlockToChain[BB];
916     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
917       continue;
918
919     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
920     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
921          BCI != BCE; ++BCI) {
922       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
923       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
924                                             PE = (*BCI)->pred_end();
925            PI != PE; ++PI) {
926         if (BlockToChain[*PI] == &Chain)
927           continue;
928         ++Chain.LoopPredecessors;
929       }
930     }
931
932     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
933       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
934   }
935
936   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F.front()];
937   buildChain(&F.front(), FunctionChain, BlockWorkList);
938
939 #ifndef NDEBUG
940   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
941 #endif
942   DEBUG({
943     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
944     bool BadFunc = false;
945     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
946     for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
947       FunctionBlockSet.insert(FI);
948
949     for (BlockChain::iterator BCI = FunctionChain.begin(),
950                               BCE = FunctionChain.end();
951          BCI != BCE; ++BCI)
952       if (!FunctionBlockSet.erase(*BCI)) {
953         BadFunc = true;
954         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
955                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
956       }
957
958     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
959       BadFunc = true;
960       for (FunctionBlockSetType::iterator FBI = FunctionBlockSet.begin(),
961                                           FBE = FunctionBlockSet.end();
962            FBI != FBE; ++FBI)
963         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
964                << "  Bad block:    " << getBlockName(*FBI) << "\n";
965     }
966     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
967   });
968
969   // Splice the blocks into place.
970   MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
971   for (BlockChain::iterator BI = FunctionChain.begin(),
972                             BE = FunctionChain.end();
973        BI != BE; ++BI) {
974     DEBUG(dbgs() << (BI == FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
975                                                   : "          ... ")
976           << getBlockName(*BI) << "\n");
977     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(*BI))
978       F.splice(InsertPos, *BI);
979     else
980       ++InsertPos;
981
982     // Update the terminator of the previous block.
983     if (BI == FunctionChain.begin())
984       continue;
985     MachineBasicBlock *PrevBB = std::prev(MachineFunction::iterator(*BI));
986
987     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
988     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
989     // boiler plate.
990     Cond.clear();
991     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
992     if (!TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
993       // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
994       //   o. it may fall-through to a block without explict "goto" instruction
995       //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or 
996       //   o. just opposite.
997       // 
998       // AnalyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
999       // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set
1000       // NULL; for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL,
1001       // is mistakenly pointing to "*BI".
1002       //
1003       bool needUpdateBr = true;
1004       if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == *BI)) {
1005         PrevBB->updateTerminator();
1006         needUpdateBr = false;
1007         Cond.clear();
1008         TBB = FBB = nullptr;
1009         if (TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
1010           // FIXME: This should never take place.
1011           TBB = FBB = nullptr;
1012         }
1013       }
1014
1015       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
1016       // such that we branch to the successor with higher weight first.
1017       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
1018           MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB) > MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) &&
1019           !TII->ReverseBranchCondition(Cond)) {
1020         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
1021                      << getBlockName(PrevBB) << "\n");
1022         DEBUG(dbgs() << "    Edge weight: " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB)
1023                      << " vs " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) << "\n");
1024         DebugLoc dl;  // FIXME: this is nowhere
1025         TII->RemoveBranch(*PrevBB);
1026         TII->InsertBranch(*PrevBB, FBB, TBB, Cond, dl);
1027         needUpdateBr = true;
1028       }
1029       if (needUpdateBr)
1030         PrevBB->updateTerminator();
1031     }
1032   }
1033
1034   // Fixup the last block.
1035   Cond.clear();
1036   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
1037   if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
1038     F.back().updateTerminator();
1039
1040   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
1041   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
1042   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
1043   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
1044   // loop rotations done during this layout pass.
1045   if (F.getFunction()->getAttributes().
1046         hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex, Attribute::OptimizeForSize))
1047     return;
1048   unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
1049   if (!Align)
1050     return;  // Don't care about loop alignment.
1051   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
1052     return;  // Empty chain.
1053
1054   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
1055   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(F.begin());
1056   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
1057   for (BlockChain::iterator BI = std::next(FunctionChain.begin()),
1058                             BE = FunctionChain.end();
1059        BI != BE; ++BI) {
1060     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
1061     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
1062     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
1063     // rotated loops.
1064     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(*BI);
1065     if (!L)
1066       continue;
1067
1068     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
1069     // aligning it.
1070     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(*BI);
1071     if (Freq < WeightedEntryFreq)
1072       continue;
1073
1074     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
1075     // regardless of what edges into the block exist.
1076     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
1077     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
1078     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
1079       continue;
1080
1081     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
1082     // from aligning this block.
1083     MachineBasicBlock *LayoutPred = *std::prev(BI);
1084
1085     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
1086     // that the block isn't cold above.
1087     if (!LayoutPred->isSuccessor(*BI)) {
1088       (*BI)->setAlignment(Align);
1089       continue;
1090     }
1091
1092     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
1093     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
1094     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
1095     // important.
1096     BranchProbability LayoutProb = MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, *BI);
1097     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
1098     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
1099       (*BI)->setAlignment(Align);
1100   }
1101 }
1102
1103 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1104   // Check for single-block functions and skip them.
1105   if (std::next(F.begin()) == F.end())
1106     return false;
1107
1108   if (skipOptnoneFunction(*F.getFunction()))
1109     return false;
1110
1111   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1112   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1113   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
1114   TII = F.getTarget().getInstrInfo();
1115   TLI = F.getTarget().getTargetLowering();
1116   assert(BlockToChain.empty());
1117
1118   buildCFGChains(F);
1119
1120   BlockToChain.clear();
1121   ChainAllocator.DestroyAll();
1122
1123   if (AlignAllBlock)
1124     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
1125     for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end();
1126          FI != FE; ++FI)
1127       FI->setAlignment(AlignAllBlock);
1128
1129   // We always return true as we have no way to track whether the final order
1130   // differs from the original order.
1131   return true;
1132 }
1133
1134 namespace {
1135 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
1136 ///
1137 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
1138 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
1139 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
1140 /// alternative placement strategies.
1141 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
1142   /// \brief A handle to the branch probability pass.
1143   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
1144
1145   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
1146   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
1147
1148 public:
1149   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
1150   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
1151     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1152   }
1153
1154   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
1155
1156   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1157     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
1158     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
1159     AU.setPreservesAll();
1160     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
1161   }
1162 };
1163 }
1164
1165 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
1166 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
1167 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1168                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
1169 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
1170 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
1171 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1172                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
1173
1174 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1175   // Check for single-block functions and skip them.
1176   if (std::next(F.begin()) == F.end())
1177     return false;
1178
1179   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1180   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1181
1182   for (MachineFunction::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
1183     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(I);
1184     Statistic &NumBranches = (I->succ_size() > 1) ? NumCondBranches
1185                                                   : NumUncondBranches;
1186     Statistic &BranchTakenFreq = (I->succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq
1187                                                       : UncondBranchTakenFreq;
1188     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = I->succ_begin(),
1189                                           SE = I->succ_end();
1190          SI != SE; ++SI) {
1191       // Skip if this successor is a fallthrough.
1192       if (I->isLayoutSuccessor(*SI))
1193         continue;
1194
1195       BlockFrequency EdgeFreq = BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(I, *SI);
1196       ++NumBranches;
1197       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
1198     }
1199   }
1200
1201   return false;
1202 }
1203