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 absense 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/MachineBasicBlock.h"
  30 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
  31 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
  32 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  33 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  34 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  35 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
  36 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  37 #include "llvm/Support/Allocator.h"
  38 #include "llvm/Support/Debug.h"
  39 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  40 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  41 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
  42 #include "llvm/ADT/SCCIterator.h"
  43 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  46 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  47 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
  48 #include <algorithm>
  49 using namespace llvm;
  50
  51 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
  52 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of uncondittional branches");
  53 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
  54           "Potential frequency of taking conditional branches");
  55 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
  56           "Potential frequency of taking unconditional branches");
  57
  58 namespace {
  59 /// \brief A structure for storing a weighted edge.
  60 ///
  61 /// This stores an edge and its weight, computed as the product of the
  62 /// frequency that the starting block is entered with the probability of
  63 /// a particular exit block.
  64 struct WeightedEdge {
  65   BlockFrequency EdgeFrequency;
  66   MachineBasicBlock *From, *To;
  67
  68   bool operator<(const WeightedEdge &RHS) const {
  69     return EdgeFrequency < RHS.EdgeFrequency;
  70   }
  71 };
  72 }
  73
  74 namespace {
  75 class BlockChain;
  76 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
  77 typedef DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
  78 }
  79
  80 namespace {
  81 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
  82 ///
  83 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
  84 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
  85 /// probabilities. We also can use a block chain to represent a sequence of
  86 /// basic blocks which have some external (correctness) requirement for
  87 /// sequential layout.
  88 ///
  89 /// Eventually, the block chains will form a directed graph over the function.
  90 /// We provide an SCC-supporting-iterator in order to quicky build and walk the
  91 /// SCCs of block chains within a function.
  92 ///
  93 /// The block chains also have support for calculating and caching probability
  94 /// information related to the chain itself versus other chains. This is used
  95 /// for ranking during the final layout of block chains.
  96 class BlockChain {
  97   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
  98   ///
  99   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
 100   /// out in-order within the function.
 101   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
 102
 103   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
 104   ///
 105   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
 106   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
 107   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
 108   /// structure.
 109   BlockToChainMapType &BlockToChain;
 110
 111 public:
 112   /// \brief Construct a new BlockChain.
 113   ///
 114   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
 115   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
 116   /// in with the BlockToChain mapping.
 117   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
 118     : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), LoopPredecessors(0) {
 119     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
 120     BlockToChain[BB] = this;
 121   }
 122
 123   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
 124   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
 125   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::reverse_iterator
 126       reverse_iterator;
 127
 128   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
 129   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
 130   reverse_iterator rbegin() { return Blocks.rbegin(); }
 131
 132   /// \brief End of blocks within the chain.
 133   iterator end() { return Blocks.end(); }
 134   reverse_iterator rend() { return Blocks.rend(); }
 135
 136   /// \brief Merge a block chain into this one.
 137   ///
 138   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
 139   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
 140   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
 141   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
 142   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
 143     assert(BB);
 144     assert(!Blocks.empty());
 145
 146     // Fast path in case we don't have a chain already.
 147     if (!Chain) {
 148       assert(!BlockToChain[BB]);
 149       Blocks.push_back(BB);
 150       BlockToChain[BB] = this;
 151       return;
 152     }
 153
 154     assert(BB == *Chain->begin());
 155     assert(Chain->begin() != Chain->end());
 156
 157     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
 158     // chain structure.
 159     for (BlockChain::iterator BI = Chain->begin(), BE = Chain->end();
 160          BI != BE; ++BI) {
 161       Blocks.push_back(*BI);
 162       assert(BlockToChain[*BI] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
 163       BlockToChain[*BI] = this;
 164     }
 165   }
 166
 167   /// \brief Count of predecessors within the loop currently being processed.
 168   ///
 169   /// This count is updated at each loop we process to represent the number of
 170   /// in-loop predecessors of this chain.
 171   unsigned LoopPredecessors;
 172 };
 173 }
 174
 175 namespace {
 176 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
 177   /// \brief A typedef for a block filter set.
 178   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
 179
 180   /// \brief A handle to the branch probability pass.
 181   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
 182
 183   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
 184   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
 185
 186   /// \brief A handle to the loop info.
 187   const MachineLoopInfo *MLI;
 188
 189   /// \brief A handle to the target's instruction info.
 190   const TargetInstrInfo *TII;
 191
 192   /// \brief A handle to the target's lowering info.
 193   const TargetLowering *TLI;
 194
 195   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
 196   ///
 197   /// We build BlockChains lazily by merging together high probability BB
 198   /// sequences acording to the "Algo2" in the paper mentioned at the top of
 199   /// the file. To reduce malloc traffic, we allocate them using this slab-like
 200   /// allocator, and destroy them after the pass completes.
 201   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
 202
 203   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
 204   ///
 205   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
 206   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
 207   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
 208   /// between basic blocks.
 209   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
 210
 211   void markChainSuccessors(BlockChain &Chain,
 212                            MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
 213                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
 214                            const BlockFilterSet *BlockFilter = 0);
 215   MachineBasicBlock *selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
 216                                          BlockChain &Chain,
 217                                          const BlockFilterSet *BlockFilter);
 218   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
 219       BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
 220       const BlockFilterSet *BlockFilter);
 221   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
 222       MachineFunction &F,
 223       const BlockChain &PlacedChain,
 224       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
 225       const BlockFilterSet *BlockFilter);
 226   void buildChain(MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
 227                   SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
 228                   const BlockFilterSet *BlockFilter = 0);
 229   void rotateLoop(MachineLoop &L, BlockChain &LoopChain,
 230                   const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
 231   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
 232   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
 233   void AlignLoops(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);
 242
 243   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 244     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
 245     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
 246     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
 247     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 248   }
 249
 250   const char *getPassName() const { return "Block Placement"; }
 251 };
 252 }
 253
 254 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
 255 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
 256                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 257 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
 258 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
 259 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
 260 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
 261                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 262
 263 FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementPass() {
 264   return new MachineBlockPlacement();
 265 }
 266
 267 #ifndef NDEBUG
 268 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
 269 ///
 270 /// Only used by debug logging.
 271 static std::string getBlockName(MachineBasicBlock *BB) {
 272   std::string Result;
 273   raw_string_ostream OS(Result);
 274   OS << "BB#" << BB->getNumber()
 275      << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
 276   OS.flush();
 277   return Result;
 278 }
 279
 280 /// \brief Helper to print the number of a MBB.
 281 ///
 282 /// Only used by debug logging.
 283 static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
 284   std::string Result;
 285   raw_string_ostream OS(Result);
 286   OS << "BB#" << BB->getNumber();
 287   OS.flush();
 288   return Result;
 289 }
 290 #endif
 291
 292 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
 293 ///
 294 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
 295 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
 296 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
 297 /// chain which reach the zero-predecessor state to the worklist passed in.
 298 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
 299     BlockChain &Chain,
 300     MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
 301     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
 302     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
 303   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
 304   // a predecessor placed.
 305   for (BlockChain::iterator CBI = Chain.begin(), CBE = Chain.end();
 306        CBI != CBE; ++CBI) {
 307     // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
 308     // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
 309     // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
 310     // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
 311     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = (*CBI)->succ_begin(),
 312                                           SE = (*CBI)->succ_end();
 313          SI != SE; ++SI) {
 314       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
 315         continue;
 316       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
 317       // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
 318       if (&Chain == &SuccChain || *SI == LoopHeaderBB)
 319         continue;
 320
 321       // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
 322       // loop predecessor count of the destination chain.
 323       if (SuccChain.LoopPredecessors > 0 && --SuccChain.LoopPredecessors == 0)
 324         BlockWorkList.push_back(*SuccChain.begin());
 325     }
 326   }
 327 }
 328
 329 /// \brief Select the best successor for a block.
 330 ///
 331 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
 332 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
 333 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
 334 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
 335 /// very hot successor edges.
 336 ///
 337 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
 338 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
 339     MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
 340     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
 341   const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
 342
 343   MachineBasicBlock *BestSucc = 0;
 344   // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
 345   // the MBPI analysis, we manually compute probabilities using the edge
 346   // weights. This is suboptimal as it means that the somewhat subtle
 347   // definition of edge weight semantics is encoded here as well. We should
 348   // improve the MBPI interface to effeciently support query patterns such as
 349   // this.
 350   uint32_t BestWeight = 0;
 351   uint32_t WeightScale = 0;
 352   uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
 353   DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
 354   for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = BB->succ_begin(),
 355                                         SE = BB->succ_end();
 356        SI != SE; ++SI) {
 357     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
 358       continue;
 359     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
 360     if (&SuccChain == &Chain) {
 361       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Already merged!\n");
 362       continue;
 363     }
 364     if (*SI != *SuccChain.begin()) {
 365       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Mid chain!\n");
 366       continue;
 367     }
 368
 369     uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, *SI);
 370     BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
 371
 372     // Only consider successors which are either "hot", or wouldn't violate
 373     // any CFG constraints.
 374     if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
 375       if (SuccProb < HotProb) {
 376         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> CFG conflict\n");
 377         continue;
 378       }
 379
 380       // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more important
 381       // predecessor.
 382       BlockFrequency CandidateEdgeFreq
 383         = MBFI->getBlockFreq(BB) * SuccProb * HotProb.getCompl();
 384       bool BadCFGConflict = false;
 385       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*SI)->pred_begin(),
 386                                             PE = (*SI)->pred_end();
 387            PI != PE; ++PI) {
 388         if (*PI == *SI || (BlockFilter && !BlockFilter->count(*PI)) ||
 389             BlockToChain[*PI] == &Chain)
 390           continue;
 391         BlockFrequency PredEdgeFreq
 392           = MBFI->getBlockFreq(*PI) * MBPI->getEdgeProbability(*PI, *SI);
 393         if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
 394           BadCFGConflict = true;
 395           break;
 396         }
 397       }
 398       if (BadCFGConflict) {
 399         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI)
 400                                << " -> non-cold CFG conflict\n");
 401         continue;
 402       }
 403     }
 404
 405     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
 406                  << " (prob)"
 407                  << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
 408                  << "\n");
 409     if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
 410       continue;
 411     BestSucc = *SI;
 412     BestWeight = SuccWeight;
 413   }
 414   return BestSucc;
 415 }
 416
 417 namespace {
 418 /// \brief Predicate struct to detect blocks already placed.
 419 class IsBlockPlaced {
 420   const BlockChain &PlacedChain;
 421   const BlockToChainMapType &BlockToChain;
 422
 423 public:
 424   IsBlockPlaced(const BlockChain &PlacedChain,
 425                 const BlockToChainMapType &BlockToChain)
 426       : PlacedChain(PlacedChain), BlockToChain(BlockToChain) {}
 427
 428   bool operator()(MachineBasicBlock *BB) const {
 429     return BlockToChain.lookup(BB) == &PlacedChain;
 430   }
 431 };
 432 }
 433
 434 /// \brief Select the best block from a worklist.
 435 ///
 436 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
 437 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
 438 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
 439 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
 440 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
 441 /// loop body in order to improve icache behavior.
 442 ///
 443 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
 444 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
 445     BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
 446     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
 447   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
 448   // worklist of already placed entries.
 449   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
 450   // some code complexity) into the loop below.
 451   WorkList.erase(std::remove_if(WorkList.begin(), WorkList.end(),
 452                                 IsBlockPlaced(Chain, BlockToChain)),
 453                  WorkList.end());
 454
 455   MachineBasicBlock *BestBlock = 0;
 456   BlockFrequency BestFreq;
 457   for (SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator WBI = WorkList.begin(),
 458                                                       WBE = WorkList.end();
 459        WBI != WBE; ++WBI) {
 460     assert(!BlockFilter || BlockFilter->count(*WBI));
 461     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*WBI];
 462     if (&SuccChain == &Chain) {
 463       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI)
 464                    << " -> Already merged!\n");
 465       continue;
 466     }
 467     assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
 468
 469     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(*WBI);
 470     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI) << " -> " << CandidateFreq
 471                  << " (freq)\n");
 472     if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
 473       continue;
 474     BestBlock = *WBI;
 475     BestFreq = CandidateFreq;
 476   }
 477   return BestBlock;
 478 }
 479
 480 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
 481 ///
 482 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
 483 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
 484 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
 485 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
 486 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
 487 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
 488     MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
 489     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
 490     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
 491   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
 492        ++I) {
 493     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(I))
 494       continue;
 495     if (BlockToChain[I] != &PlacedChain) {
 496       PrevUnplacedBlockIt = I;
 497       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
 498       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
 499       // and satisfies the requirements of merging chains.
 500       return *BlockToChain[I]->begin();
 501     }
 502   }
 503   return 0;
 504 }
 505
 506 void MachineBlockPlacement::buildChain(
 507     MachineBasicBlock *BB,
 508     BlockChain &Chain,
 509     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
 510     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
 511   assert(BB);
 512   assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
 513   MachineFunction &F = *BB->getParent();
 514   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F.begin();
 515
 516   MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
 517   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
 518   BB = *llvm::prior(Chain.end());
 519   for (;;) {
 520     assert(BB);
 521     assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
 522     assert(*llvm::prior(Chain.end()) == BB);
 523     MachineBasicBlock *BestSucc = 0;
 524
 525     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
 526     // after this block.
 527     BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
 528
 529     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
 530     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
 531     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
 532     if (!BestSucc)
 533       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
 534
 535     if (!BestSucc) {
 536       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt,
 537                                        BlockFilter);
 538       if (!BestSucc)
 539         break;
 540
 541       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
 542                       "layout successor until the CFG reduces\n");
 543     }
 544
 545     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
 546     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
 547     // Zero out LoopPredecessors for the successor we're about to merge in case
 548     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
 549     SuccChain.LoopPredecessors = 0;
 550     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB)
 551                  << " to " << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
 552     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
 553     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
 554     BB = *llvm::prior(Chain.end());
 555   };
 556
 557   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
 558                << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
 559 }
 560
 561 /// \brief Attempt to rotate loop chains ending in an unconditional backedge.
 562 ///
 563 /// This is a very conservative attempt to rotate unconditional backedge jumps
 564 /// into fallthrough opportunities. It only attempts to perform the rotation
 565 /// when it is trivial to find a block within the loop which has a conditional
 566 /// loop exit. This block is then made the bottom of the chain, and the in-loop
 567 /// fallthrough block the top. That turns a conditional branch out of the loop
 568 /// into a conditional branch to the top of the loop while completely
 569 /// eliminitating an unconditional branch within the loop.
 570 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(MachineLoop &L,
 571                                        BlockChain &LoopChain,
 572                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
 573   MachineBasicBlock *Header = *L.block_begin();
 574   // Ensure that we have a chain of blocks which starts with the loop header.
 575   // Otherwise, rotating the blocks might break an analyzable branch.
 576   if (Header != *LoopChain.begin())
 577     return;
 578
 579   // We only support rotating the loop chain as a unit, so look directly at the
 580   // back of the chain and check that it has a backedge.
 581   MachineBasicBlock *Latch = *llvm::prior(LoopChain.end());
 582   if (Latch == Header ||
 583       !Latch->isSuccessor(Header))
 584     return;
 585
 586   // We need to analyze the branch and determine if rotating the loop will
 587   // completely remove a branch. We bail if the analysis fails or we don't find
 588   // an unconditional backedge.
 589   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond;
 590   MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0;
 591   if (TII->AnalyzeBranch(*Latch, TBB, FBB, Cond) || !TBB || FBB || !Cond.empty())
 592     return;
 593   assert(TBB == Header && "Found backedge that doesn't go to the header!");
 594
 595   // Next we need to find a split point. This rotate algorithm is *very*
 596   // narrow, and it only tries to do the rotate when it can find a split point
 597   // which is an analyzable branch that exits the loop. Splitting there allows
 598   // us to form a fallthrough out of the loop and a conditional jump to the top
 599   // of the loop after rotation.
 600   MachineBasicBlock *NewBottom = 0, *NewTop = 0;
 601   BlockChain::iterator SplitIt = LoopChain.end();
 602   for (BlockChain::reverse_iterator I = llvm::next(LoopChain.rbegin()),
 603                                     E = LoopChain.rend();
 604        I != E; ++I) {
 605     Cond.clear();
 606     TBB = FBB = 0;
 607     if (TII->AnalyzeBranch(**I, TBB, FBB, Cond) || !TBB || Cond.empty())
 608       continue;
 609     // Swap things so that the in-loop successor is always in FBB or is an
 610     // implicit fallthrough.
 611     if (FBB && !LoopBlockSet.count(FBB))
 612       std::swap(TBB, FBB);
 613     // Check that we actually have a loop exit branch.
 614     // FIXME: We should probably just use the LoopInfo for this.
 615     if (!LoopBlockSet.count(TBB) && (!FBB || !LoopBlockSet.count(FBB))) {
 616       // This is a very arbitrary restriction, but it ensures we don't disrupt
 617       // the existing chain layout. We insist that the in-loop successor is
 618       // chained as a fallthrough successor (even if the branch hasn't been
 619       // updated to reflect that yet).
 620       if (FBB && FBB != *llvm::prior(I))
 621         continue;
 622
 623       NewBottom = *I;
 624       NewTop = *llvm::prior(I);
 625       SplitIt = I.base();
 626       break;
 627     }
 628   }
 629   if (!NewBottom || !NewTop ||
 630       SplitIt == LoopChain.end() || SplitIt == LoopChain.begin())
 631     return;
 632   assert(BlockToChain[NewBottom] == &LoopChain);
 633   assert(BlockToChain[NewTop] == &LoopChain);
 634   assert(*SplitIt == NewTop);
 635
 636   // Rotate the chain and we're done.
 637   DEBUG(dbgs() << "Rotating loop headed by: " << getBlockName(Header) << "\n"
 638                << "  new top:    " << getBlockName(NewTop) << "\n"
 639                << "  new bottom: " << getBlockName(NewBottom) << "\n");
 640   std::rotate(LoopChain.begin(), SplitIt, LoopChain.end());
 641 }
 642
 643 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
 644 ///
 645 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
 646 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
 647 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
 648 /// branches.
 649 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
 650                                             MachineLoop &L) {
 651   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
 652   // loops.
 653   for (MachineLoop::iterator LI = L.begin(), LE = L.end(); LI != LE; ++LI)
 654     buildLoopChains(F, **LI);
 655
 656   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
 657   BlockFilterSet LoopBlockSet(L.block_begin(), L.block_end());
 658   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
 659
 660   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
 661   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
 662   // twice.
 663   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
 664   for (MachineLoop::block_iterator BI = L.block_begin(),
 665                                    BE = L.block_end();
 666        BI != BE; ++BI) {
 667     BlockChain &Chain = *BlockToChain[*BI];
 668     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain) || BI == L.block_begin())
 669       continue;
 670
 671     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
 672     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
 673          BCI != BCE; ++BCI) {
 674       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
 675       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
 676                                             PE = (*BCI)->pred_end();
 677            PI != PE; ++PI) {
 678         if (BlockToChain[*PI] == &Chain || !LoopBlockSet.count(*PI))
 679           continue;
 680         ++Chain.LoopPredecessors;
 681       }
 682     }
 683
 684     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
 685       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
 686   }
 687
 688   buildChain(*L.block_begin(), LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
 689   rotateLoop(L, LoopChain, LoopBlockSet);
 690
 691   DEBUG({
 692     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
 693     bool BadLoop = false;
 694     if (LoopChain.LoopPredecessors) {
 695       BadLoop = true;
 696       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
 697              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
 698              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
 699     }
 700     for (BlockChain::iterator BCI = LoopChain.begin(), BCE = LoopChain.end();
 701          BCI != BCE; ++BCI)
 702       if (!LoopBlockSet.erase(*BCI)) {
 703         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
 704         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
 705         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
 706         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
 707                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
 708                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
 709                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
 710       }
 711
 712     if (!LoopBlockSet.empty()) {
 713       BadLoop = true;
 714       for (BlockFilterSet::iterator LBI = LoopBlockSet.begin(),
 715                                     LBE = LoopBlockSet.end();
 716            LBI != LBE; ++LBI)
 717         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
 718                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
 719                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
 720                << "  Bad block:    " << getBlockName(*LBI) << "\n";
 721     }
 722     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
 723   });
 724 }
 725
 726 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
 727   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
 728   // the assumptions of the remaining algorithm.
 729   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
 730   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
 731     MachineBasicBlock *BB = FI;
 732     BlockChain *Chain
 733       = new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
 734     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
 735     // the exact fallthrough behavior for.
 736     for (;;) {
 737       Cond.clear();
 738       MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
 739       if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
 740         break;
 741
 742       MachineFunction::iterator NextFI(llvm::next(FI));
 743       MachineBasicBlock *NextBB = NextFI;
 744       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
 745       // fallthrough is a possibility.
 746       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
 747       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
 748                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
 749                    << "\n");
 750       Chain->merge(NextBB, 0);
 751       FI = NextFI;
 752       BB = NextBB;
 753     }
 754   }
 755
 756   // Build any loop-based chains.
 757   for (MachineLoopInfo::iterator LI = MLI->begin(), LE = MLI->end(); LI != LE;
 758        ++LI)
 759     buildLoopChains(F, **LI);
 760
 761   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
 762
 763   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
 764   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
 765     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
 766     BlockChain &Chain = *BlockToChain[BB];
 767     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
 768       continue;
 769
 770     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
 771     for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
 772          BCI != BCE; ++BCI) {
 773       assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
 774       for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
 775                                             PE = (*BCI)->pred_end();
 776            PI != PE; ++PI) {
 777         if (BlockToChain[*PI] == &Chain)
 778           continue;
 779         ++Chain.LoopPredecessors;
 780       }
 781     }
 782
 783     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
 784       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
 785   }
 786
 787   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F.front()];
 788   buildChain(&F.front(), FunctionChain, BlockWorkList);
 789
 790   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
 791   DEBUG({
 792     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
 793     bool BadFunc = false;
 794     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
 795     for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
 796       FunctionBlockSet.insert(FI);
 797
 798     for (BlockChain::iterator BCI = FunctionChain.begin(),
 799                               BCE = FunctionChain.end();
 800          BCI != BCE; ++BCI)
 801       if (!FunctionBlockSet.erase(*BCI)) {
 802         BadFunc = true;
 803         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
 804                << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
 805       }
 806
 807     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
 808       BadFunc = true;
 809       for (FunctionBlockSetType::iterator FBI = FunctionBlockSet.begin(),
 810                                           FBE = FunctionBlockSet.end();
 811            FBI != FBE; ++FBI)
 812         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
 813                << "  Bad block:    " << getBlockName(*FBI) << "\n";
 814     }
 815     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
 816   });
 817
 818   // Splice the blocks into place.
 819   MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
 820   for (BlockChain::iterator BI = FunctionChain.begin(),
 821                             BE = FunctionChain.end();
 822        BI != BE; ++BI) {
 823     DEBUG(dbgs() << (BI == FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
 824                                                   : "          ... ")
 825           << getBlockName(*BI) << "\n");
 826     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(*BI))
 827       F.splice(InsertPos, *BI);
 828     else
 829       ++InsertPos;
 830
 831     // Update the terminator of the previous block.
 832     if (BI == FunctionChain.begin())
 833       continue;
 834     MachineBasicBlock *PrevBB = llvm::prior(MachineFunction::iterator(*BI));
 835
 836     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
 837     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
 838     // boiler plate.
 839     Cond.clear();
 840     MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
 841     if (!TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
 842       PrevBB->updateTerminator();
 843   }
 844
 845   // Fixup the last block.
 846   Cond.clear();
 847   MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
 848   if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
 849     F.back().updateTerminator();
 850 }
 851
 852 /// \brief Recursive helper to align a loop and any nested loops.
 853 static void AlignLoop(MachineFunction &F, MachineLoop *L, unsigned Align) {
 854   // Recurse through nested loops.
 855   for (MachineLoop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
 856     AlignLoop(F, *I, Align);
 857
 858   L->getTopBlock()->setAlignment(Align);
 859 }
 860
 861 /// \brief Align loop headers to target preferred alignments.
 862 void MachineBlockPlacement::AlignLoops(MachineFunction &F) {
 863   if (F.getFunction()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
 864     return;
 865
 866   unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
 867   if (!Align)
 868     return;  // Don't care about loop alignment.
 869
 870   for (MachineLoopInfo::iterator I = MLI->begin(), E = MLI->end(); I != E; ++I)
 871     AlignLoop(F, *I, Align);
 872 }
 873
 874 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
 875   // Check for single-block functions and skip them.
 876   if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
 877     return false;
 878
 879   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
 880   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
 881   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 882   TII = F.getTarget().getInstrInfo();
 883   TLI = F.getTarget().getTargetLowering();
 884   assert(BlockToChain.empty());
 885
 886   buildCFGChains(F);
 887   AlignLoops(F);
 888
 889   BlockToChain.clear();
 890   ChainAllocator.DestroyAll();
 891
 892   // We always return true as we have no way to track whether the final order
 893   // differs from the original order.
 894   return true;
 895 }
 896
 897 namespace {
 898 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
 899 ///
 900 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
 901 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
 902 /// be computed in the absense of any placement transformations or when using
 903 /// alternative placement strategies.
 904 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
 905   /// \brief A handle to the branch probability pass.
 906   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
 907
 908   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
 909   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
 910
 911 public:
 912   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 913   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
 914     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 915   }
 916
 917   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F);
 918
 919   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 920     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
 921     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
 922     AU.setPreservesAll();
 923     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 924   }
 925
 926   const char *getPassName() const { return "Block Placement Stats"; }
 927 };
 928 }
 929
 930 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
 931 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
 932                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
 933 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
 934 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
 935 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
 936                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
 937
 938 FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementStatsPass() {
 939   return new MachineBlockPlacementStats();
 940 }
 941
 942 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
 943   // Check for single-block functions and skip them.
 944   if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
 945     return false;
 946
 947   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
 948   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
 949
 950   for (MachineFunction::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
 951     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(I);
 952     Statistic &NumBranches = (I->succ_size() > 1) ? NumCondBranches
 953                                                   : NumUncondBranches;
 954     Statistic &BranchTakenFreq = (I->succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq
 955                                                       : UncondBranchTakenFreq;
 956     for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = I->succ_begin(),
 957                                           SE = I->succ_end();
 958          SI != SE; ++SI) {
 959       // Skip if this successor is a fallthrough.
 960       if (I->isLayoutSuccessor(*SI))
 961         continue;
 962
 963       BlockFrequency EdgeFreq = BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(I, *SI);
 964       ++NumBranches;
 965       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
 966     }
 967   }
 968
 969   return false;
 970 }
 971