In MachineBlockPlacement, filter cold blocks off the loop chain when profile data...
[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/MachineDominators.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
40 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
41 #include "llvm/Support/Allocator.h"
42 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
43 #include "llvm/Support/Debug.h"
44 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
45 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
46 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
47 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
48 #include <algorithm>
49 using namespace llvm;
50
51 #define DEBUG_TYPE "block-placement"
52
53 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
54 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional branches");
55 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
56           "Potential frequency of taking conditional branches");
57 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
58           "Potential frequency of taking unconditional branches");
59
60 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
61                                        cl::desc("Force the alignment of all "
62                                                 "blocks in the function."),
63                                        cl::init(0), cl::Hidden);
64
65 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
66 static cl::opt<unsigned> ExitBlockBias(
67     "block-placement-exit-block-bias",
68     cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
69              "over the original exit to be considered the new exit."),
70     cl::init(0), cl::Hidden);
71
72 static cl::opt<bool> OutlineOptionalBranches(
73     "outline-optional-branches",
74     cl::desc("Put completely optional branches, i.e. branches with a common "
75              "post dominator, out of line."),
76     cl::init(false), cl::Hidden);
77
78 static cl::opt<unsigned> OutlineOptionalThreshold(
79     "outline-optional-threshold",
80     cl::desc("Don't outline optional branches that are a single block with an "
81              "instruction count below this threshold"),
82     cl::init(4), cl::Hidden);
83
84 static cl::opt<unsigned> LoopToColdBlockRatio(
85     "loop-to-cold-block-ratio",
86     cl::desc("Outline loop blocks from loop chain if (frequency of loop) / "
87              "(frequency of block) is greater than this ratio"),
88     cl::init(5), cl::Hidden);
89
90 static cl::opt<bool>
91     PreciseRotationCost("precise-rotation-cost",
92                         cl::desc("Model the cost of loop rotation more "
93                                  "precisely by using profile data."),
94                         cl::init(false), cl::Hidden);
95
96 static cl::opt<unsigned> MisfetchCost(
97     "misfetch-cost",
98     cl::desc("Cost that models the probablistic risk of an instruction "
99              "misfetch due to a jump comparing to falling through, whose cost "
100              "is zero."),
101     cl::init(1), cl::Hidden);
102
103 static cl::opt<unsigned> JumpInstCost("jump-inst-cost",
104                                       cl::desc("Cost of jump instructions."),
105                                       cl::init(1), cl::Hidden);
106
107 namespace {
108 class BlockChain;
109 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
110 typedef DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
111 }
112
113 namespace {
114 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
115 ///
116 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
117 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
118 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
119 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
120 /// requirement for sequential layout.
121 ///
122 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
123 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
124 /// automatically as chains are merged together.
125 class BlockChain {
126   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
127   ///
128   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
129   /// out in-order within the function.
130   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
131
132   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
133   ///
134   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
135   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
136   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
137   /// structure.
138   BlockToChainMapType &BlockToChain;
139
140 public:
141   /// \brief Construct a new BlockChain.
142   ///
143   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
144   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
145   /// in with the BlockToChain mapping.
146   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
147       : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), LoopPredecessors(0) {
148     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
149     BlockToChain[BB] = this;
150   }
151
152   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
153   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
154
155   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
156   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
157
158   /// \brief End of blocks within the chain.
159   iterator end() { return Blocks.end(); }
160
161   /// \brief Merge a block chain into this one.
162   ///
163   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
164   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
165   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
166   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
167   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
168     assert(BB);
169     assert(!Blocks.empty());
170
171     // Fast path in case we don't have a chain already.
172     if (!Chain) {
173       assert(!BlockToChain[BB]);
174       Blocks.push_back(BB);
175       BlockToChain[BB] = this;
176       return;
177     }
178
179     assert(BB == *Chain->begin());
180     assert(Chain->begin() != Chain->end());
181
182     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
183     // chain structure.
184     for (MachineBasicBlock *ChainBB : *Chain) {
185       Blocks.push_back(ChainBB);
186       assert(BlockToChain[ChainBB] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
187       BlockToChain[ChainBB] = this;
188     }
189   }
190
191 #ifndef NDEBUG
192   /// \brief Dump the blocks in this chain.
193   LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
194     for (MachineBasicBlock *MBB : *this)
195       MBB->dump();
196   }
197 #endif // NDEBUG
198
199   /// \brief Count of predecessors within the loop currently being processed.
200   ///
201   /// This count is updated at each loop we process to represent the number of
202   /// in-loop predecessors of this chain.
203   unsigned LoopPredecessors;
204 };
205 }
206
207 namespace {
208 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
209   /// \brief A typedef for a block filter set.
210   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
211
212   /// \brief A handle to the branch probability pass.
213   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
214
215   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
216   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
217
218   /// \brief A handle to the loop info.
219   const MachineLoopInfo *MLI;
220
221   /// \brief A handle to the target's instruction info.
222   const TargetInstrInfo *TII;
223
224   /// \brief A handle to the target's lowering info.
225   const TargetLoweringBase *TLI;
226
227   /// \brief A handle to the post dominator tree.
228   MachineDominatorTree *MDT;
229
230   /// \brief A set of blocks that are unavoidably execute, i.e. they dominate
231   /// all terminators of the MachineFunction.
232   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> UnavoidableBlocks;
233
234   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
235   ///
236   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
237   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
238   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
239   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
240   /// the chains.
241   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
242
243   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
244   ///
245   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
246   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
247   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
248   /// between basic blocks.
249   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
250
251   void markChainSuccessors(BlockChain &Chain, MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
252                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
253                            const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
254   MachineBasicBlock *selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
255                                          BlockChain &Chain,
256                                          const BlockFilterSet *BlockFilter);
257   MachineBasicBlock *
258   selectBestCandidateBlock(BlockChain &Chain,
259                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
260                            const BlockFilterSet *BlockFilter);
261   MachineBasicBlock *
262   getFirstUnplacedBlock(MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
263                         MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
264                         const BlockFilterSet *BlockFilter);
265   void buildChain(MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
266                   SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
267                   const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
268   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(MachineLoop &L,
269                                      const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
270   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(MachineFunction &F, MachineLoop &L,
271                                       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
272   BlockFilterSet collectLoopBlockSet(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
273   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
274   void rotateLoop(BlockChain &LoopChain, MachineBasicBlock *ExitingBB,
275                   const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
276   void rotateLoopWithProfile(BlockChain &LoopChain, MachineLoop &L,
277                              const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
278   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
279
280 public:
281   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
282   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
283     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
284   }
285
286   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
287
288   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
289     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
290     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
291     AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
292     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
293     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
294   }
295 };
296 }
297
298 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
299 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
300 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement",
301                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
302 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
303 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
304 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
305 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
306 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement",
307                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
308
309 #ifndef NDEBUG
310 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
311 ///
312 /// Only used by debug logging.
313 static std::string getBlockName(MachineBasicBlock *BB) {
314   std::string Result;
315   raw_string_ostream OS(Result);
316   OS << "BB#" << BB->getNumber();
317   OS << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
318   OS.flush();
319   return Result;
320 }
321
322 /// \brief Helper to print the number of a MBB.
323 ///
324 /// Only used by debug logging.
325 static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
326   std::string Result;
327   raw_string_ostream OS(Result);
328   OS << "BB#" << BB->getNumber();
329   OS.flush();
330   return Result;
331 }
332 #endif
333
334 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
335 ///
336 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
337 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
338 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
339 /// chain which reach the zero-predecessor state to the worklist passed in.
340 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
341     BlockChain &Chain, MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
342     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
343     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
344   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
345   // a predecessor placed.
346   for (MachineBasicBlock *MBB : Chain) {
347     // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
348     // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
349     // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
350     // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
351     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
352       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
353         continue;
354       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
355       // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
356       if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
357         continue;
358
359       // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
360       // loop predecessor count of the destination chain.
361       if (SuccChain.LoopPredecessors > 0 && --SuccChain.LoopPredecessors == 0)
362         BlockWorkList.push_back(*SuccChain.begin());
363     }
364   }
365 }
366
367 /// \brief Select the best successor for a block.
368 ///
369 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
370 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
371 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
372 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
373 /// very hot successor edges.
374 ///
375 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
376 MachineBasicBlock *
377 MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
378                                            BlockChain &Chain,
379                                            const BlockFilterSet *BlockFilter) {
380   const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
381
382   MachineBasicBlock *BestSucc = nullptr;
383   // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
384   // the MBPI analysis, we manually compute probabilities using the edge
385   // weights. This is suboptimal as it means that the somewhat subtle
386   // definition of edge weight semantics is encoded here as well. We should
387   // improve the MBPI interface to efficiently support query patterns such as
388   // this.
389   uint32_t BestWeight = 0;
390   uint32_t WeightScale = 0;
391   uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
392   DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
393   for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
394     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
395       continue;
396     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
397     if (&SuccChain == &Chain) {
398       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Already merged!\n");
399       continue;
400     }
401     if (Succ != *SuccChain.begin()) {
402       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
403       continue;
404     }
405
406     uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, Succ);
407     BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
408
409     // If we outline optional branches, look whether Succ is unavoidable, i.e.
410     // dominates all terminators of the MachineFunction. If it does, other
411     // successors must be optional. Don't do this for cold branches.
412     if (OutlineOptionalBranches && SuccProb > HotProb.getCompl() &&
413         UnavoidableBlocks.count(Succ) > 0) {
414       auto HasShortOptionalBranch = [&]() {
415         for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
416           // Check whether there is an unplaced optional branch.
417           if (Pred == Succ || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
418               BlockToChain[Pred] == &Chain)
419             continue;
420           // Check whether the optional branch has exactly one BB.
421           if (Pred->pred_size() > 1 || *Pred->pred_begin() != BB)
422             continue;
423           // Check whether the optional branch is small.
424           if (Pred->size() < OutlineOptionalThreshold)
425             return true;
426         }
427         return false;
428       };
429       if (!HasShortOptionalBranch())
430         return Succ;
431     }
432
433     // Only consider successors which are either "hot", or wouldn't violate
434     // any CFG constraints.
435     if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
436       if (SuccProb < HotProb) {
437         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
438                      << " (prob) (CFG conflict)\n");
439         continue;
440       }
441
442       // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
443       // important predecessor.
444       BlockFrequency CandidateEdgeFreq =
445           MBFI->getBlockFreq(BB) * SuccProb * HotProb.getCompl();
446       bool BadCFGConflict = false;
447       for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
448         if (Pred == Succ || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
449             BlockToChain[Pred] == &Chain)
450           continue;
451         BlockFrequency PredEdgeFreq =
452             MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
453         if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
454           BadCFGConflict = true;
455           break;
456         }
457       }
458       if (BadCFGConflict) {
459         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
460                      << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
461         continue;
462       }
463     }
464
465     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
466                  << " (prob)"
467                  << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
468                  << "\n");
469     if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
470       continue;
471     BestSucc = Succ;
472     BestWeight = SuccWeight;
473   }
474   return BestSucc;
475 }
476
477 /// \brief Select the best block from a worklist.
478 ///
479 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
480 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
481 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
482 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
483 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
484 /// loop body in order to improve icache behavior.
485 ///
486 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
487 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
488     BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
489     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
490   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
491   // worklist of already placed entries.
492   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
493   // some code complexity) into the loop below.
494   WorkList.erase(std::remove_if(WorkList.begin(), WorkList.end(),
495                                 [&](MachineBasicBlock *BB) {
496                                   return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
497                                 }),
498                  WorkList.end());
499
500   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
501   BlockFrequency BestFreq;
502   for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
503     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
504     if (&SuccChain == &Chain) {
505       DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> Already merged!\n");
506       continue;
507     }
508     assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
509
510     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
511     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
512           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
513     if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
514       continue;
515     BestBlock = MBB;
516     BestFreq = CandidateFreq;
517   }
518   return BestBlock;
519 }
520
521 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
522 ///
523 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
524 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
525 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
526 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
527 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
528 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
529     MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
530     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
531     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
532   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
533        ++I) {
534     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
535       continue;
536     if (BlockToChain[&*I] != &PlacedChain) {
537       PrevUnplacedBlockIt = I;
538       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
539       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
540       // and satisfies the requirements of merging chains.
541       return *BlockToChain[&*I]->begin();
542     }
543   }
544   return nullptr;
545 }
546
547 void MachineBlockPlacement::buildChain(
548     MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
549     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
550     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
551   assert(BB);
552   assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
553   MachineFunction &F = *BB->getParent();
554   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F.begin();
555
556   MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
557   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
558   BB = *std::prev(Chain.end());
559   for (;;) {
560     assert(BB);
561     assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
562     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB);
563
564     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
565     // after this block.
566     MachineBasicBlock *BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
567
568     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
569     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
570     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
571     if (!BestSucc)
572       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
573
574     if (!BestSucc) {
575       BestSucc =
576           getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
577       if (!BestSucc)
578         break;
579
580       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
581                       "layout successor until the CFG reduces\n");
582     }
583
584     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
585     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
586     // Zero out LoopPredecessors for the successor we're about to merge in case
587     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
588     SuccChain.LoopPredecessors = 0;
589     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB) << " to "
590                  << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
591     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
592     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
593     BB = *std::prev(Chain.end());
594   }
595
596   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
597                << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
598 }
599
600 /// \brief Find the best loop top block for layout.
601 ///
602 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
603 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
604 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
605 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
606 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
607 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
608 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
609 /// header is always profitable.
610 MachineBasicBlock *
611 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(MachineLoop &L,
612                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
613   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
614   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
615   // prevent pulling the preheader into the loop body.
616   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
617   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
618     return L.getHeader();
619
620   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: " << getBlockName(L.getHeader())
621                << "\n");
622
623   BlockFrequency BestPredFreq;
624   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
625   for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
626     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
627       continue;
628     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", "
629                  << Pred->succ_size() << " successors, ";
630           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
631     if (Pred->succ_size() > 1)
632       continue;
633
634     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
635     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
636         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
637          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
638       BestPred = Pred;
639       BestPredFreq = PredFreq;
640     }
641   }
642
643   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
644   if (!BestPred)
645     return L.getHeader();
646
647   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
648   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
649          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
650          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
651     BestPred = *BestPred->pred_begin();
652
653   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
654   return BestPred;
655 }
656
657 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
658 ///
659 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
660 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
661 /// fallthrough opportunities.
662 MachineBasicBlock *
663 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(MachineFunction &F, MachineLoop &L,
664                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
665   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
666   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
667   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
668   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
669   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
670   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
671   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
672   // header and only rotate if safe.
673   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
674   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
675     return nullptr;
676
677   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
678   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
679   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
680   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
681   // fallthrough opportunites unless it selects such an exit. Keep a set of
682   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
683   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
684
685   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: " << getBlockName(L.getHeader())
686                << "\n");
687   for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
688     BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
689     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
690     // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
691     if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
692       continue;
693
694     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
695     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
696     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
697     // successor isn't found.
698     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
699     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
700     bool HasLoopingSucc = false;
701     // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
702     // the MBPI analysis, we use the internal weights and manually compute the
703     // probabilities to avoid quadratic behavior.
704     uint32_t WeightScale = 0;
705     uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(MBB, WeightScale);
706     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
707       if (Succ->isEHPad())
708         continue;
709       if (Succ == MBB)
710         continue;
711       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
712       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
713       if (&Chain == &SuccChain) {
714         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
715                      << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
716         continue;
717       }
718
719       uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(MBB, Succ);
720       if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
721         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
722                      << getBlockName(Succ) << " (" << SuccWeight << ")\n");
723         HasLoopingSucc = true;
724         continue;
725       }
726
727       unsigned SuccLoopDepth = 0;
728       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
729         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
730         if (ExitLoop->contains(&L))
731           BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
732       }
733
734       BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
735       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
736       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
737                    << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth << "] (";
738             MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
739       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
740       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
741       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
742       // the layout.
743       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
744       if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
745           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
746           (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
747            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
748         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
749         ExitingBB = MBB;
750       }
751     }
752
753     if (!HasLoopingSucc) {
754       // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
755       ExitingBB = OldExitingBB;
756       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
757       continue;
758     }
759   }
760   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
761   // loop, just use the loop header to layout the loop.
762   if (!ExitingBB || L.getNumBlocks() == 1)
763     return nullptr;
764
765   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
766   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
767   // rotation altogether.
768   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
769       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
770     return nullptr;
771
772   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
773   return ExitingBB;
774 }
775
776 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
777 ///
778 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
779 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
780 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
781 /// of its bottom already, don't rotate it.
782 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
783                                        MachineBasicBlock *ExitingBB,
784                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
785   if (!ExitingBB)
786     return;
787
788   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
789   bool ViableTopFallthrough = false;
790   for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
791     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
792     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
793         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
794       ViableTopFallthrough = true;
795       break;
796     }
797   }
798
799   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
800   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
801   // introduce an unnecessary branch.
802   if (ViableTopFallthrough) {
803     MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
804     for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
805       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
806       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
807           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
808         return;
809     }
810   }
811
812   BlockChain::iterator ExitIt =
813       std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(), ExitingBB);
814   if (ExitIt == LoopChain.end())
815     return;
816
817   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
818 }
819
820 /// \brief Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
821 ///
822 /// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
823 /// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
824 /// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
825 ///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
826 ///    the loop to the loop header.
827 ///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
828 ///    exits to BB out of the loop.
829 ///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
830 ///    first BB in the loop chain.
831 ///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
832 ///  We select the best rotation with the smallest cost.
833 void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
834     BlockChain &LoopChain, MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
835   auto HeaderBB = L.getHeader();
836   auto HeaderIter = std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(), HeaderBB);
837   auto RotationPos = LoopChain.end();
838
839   BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
840
841   // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
842   // branch probability which is the reciprocal of the scale.
843   auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
844                                 unsigned Scale) -> BlockFrequency {
845     if (Scale == 0)
846       return 0;
847     // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
848     // saturating multiplication.
849     return Freq / BranchProbability(1, Scale);
850   };
851
852   // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
853   // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
854   // single header, this computation can be done only once.
855   BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
856   for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
857     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
858     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
859         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
860       auto EdgeFreq =
861           MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
862       auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
863       // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
864       // need to consider the cost of this jump.
865       if (Pred->succ_size() == 1)
866         FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
867       HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
868     }
869   }
870
871   // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
872   // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
873   // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
874   // edge from the tail of the loop chain.
875   SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
876   for (auto BB : LoopChain) {
877     uint32_t LargestExitEdgeWeight = 0;
878     for (auto *Succ : BB->successors()) {
879       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
880       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
881           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
882         uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, Succ);
883         LargestExitEdgeWeight = std::max(LargestExitEdgeWeight, SuccWeight);
884       }
885     }
886     if (LargestExitEdgeWeight > 0) {
887       uint32_t WeightScale = 0;
888       uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
889       auto ExitFreq =
890           MBFI->getBlockFreq(BB) *
891           BranchProbability(LargestExitEdgeWeight / WeightScale, SumWeight);
892       ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
893     }
894   }
895
896   // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
897   // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
898   // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
899   for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
900             EndIter = LoopChain.end();
901        Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
902     // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
903     // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
904     if (TailIter == LoopChain.end())
905       TailIter = LoopChain.begin();
906
907     auto TailBB = *TailIter;
908
909     // Calculate the cost by putting this BB to the top.
910     BlockFrequency Cost = 0;
911
912     // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
913     // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
914     // header.
915     if (Iter != HeaderIter)
916       Cost += HeaderFallThroughCost;
917
918     // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
919     // except the one from the chain tail.
920     for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
921       if (TailBB != ExitWithFreq.first)
922         Cost += ExitWithFreq.second;
923
924     // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
925     // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
926     // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
927     //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
928     //    JumpInstCost) * tail node frequency.
929     // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
930     //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
931     //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
932     //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
933     //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
934     //    of the edge to the chain head, then the cost will be
935     //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
936     // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
937     //    we won't consider any additional cost.
938     if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
939       auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
940       if (TailBB->succ_size() == 1)
941         Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
942                                     MisfetchCost + JumpInstCost);
943       else if (TailBB->succ_size() == 2) {
944         auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
945         auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
946         auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
947                                   ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
948                                   : TailToHeadFreq;
949         Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
950                 ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
951       }
952     }
953
954     DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making " << getBlockNum(*Iter)
955                  << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
956
957     if (Cost < SmallestRotationCost) {
958       SmallestRotationCost = Cost;
959       RotationPos = Iter;
960     }
961   }
962
963   if (RotationPos != LoopChain.end()) {
964     DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockNum(*RotationPos)
965                  << " to the top\n");
966     std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
967   }
968 }
969
970 /// \brief Collect blocks in the given loop that are to be placed.
971 ///
972 /// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
973 /// otherwise, collect all blocks in the loop.
974 MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
975 MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(MachineFunction &F, MachineLoop &L) {
976   BlockFilterSet LoopBlockSet;
977
978   // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
979   // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
980   // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
981   // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
982   // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
983   // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
984   // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
985   // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
986   // profile data is available.
987   if (F.getFunction()->getEntryCount()) {
988     BlockFrequency LoopFreq(0);
989     for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
990       if (!L.contains(LoopPred))
991         LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
992                     MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
993
994     for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
995       auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
996       if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
997         continue;
998       LoopBlockSet.insert(LoopBB);
999     }
1000   } else
1001     LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
1002
1003   return LoopBlockSet;
1004 }
1005
1006 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
1007 ///
1008 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
1009 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
1010 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
1011 /// branches.
1012 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
1013                                             MachineLoop &L) {
1014   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
1015   // loops.
1016   for (MachineLoop *InnerLoop : L)
1017     buildLoopChains(F, *InnerLoop);
1018
1019   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
1020   BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(F, L);
1021
1022   // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
1023   // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
1024   // for better layout.
1025   bool RotateLoopWithProfile =
1026       PreciseRotationCost && F.getFunction()->getEntryCount();
1027
1028   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
1029   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
1030   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
1031   // fewer branches in the loop body.
1032   // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
1033   MachineBasicBlock *LoopTop =
1034       RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
1035
1036   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
1037   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
1038   // branches by placing an exit edge at the bottom.
1039   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
1040   if (!RotateLoopWithProfile && LoopTop == L.getHeader())
1041     ExitingBB = findBestLoopExit(F, L, LoopBlockSet);
1042
1043   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
1044
1045   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
1046   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
1047   // twice.
1048   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
1049   assert(LoopChain.LoopPredecessors == 0);
1050   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
1051
1052   for (MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet) {
1053     BlockChain &Chain = *BlockToChain[LoopBB];
1054     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1055       continue;
1056
1057     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
1058     for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1059       assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
1060       for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1061         if (BlockToChain[Pred] == &Chain || !LoopBlockSet.count(Pred))
1062           continue;
1063         ++Chain.LoopPredecessors;
1064       }
1065     }
1066
1067     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
1068       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
1069   }
1070
1071   buildChain(LoopTop, LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
1072
1073   if (RotateLoopWithProfile)
1074     rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
1075   else
1076     rotateLoop(LoopChain, ExitingBB, LoopBlockSet);
1077
1078   DEBUG({
1079     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
1080     bool BadLoop = false;
1081     if (LoopChain.LoopPredecessors) {
1082       BadLoop = true;
1083       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
1084              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
1085              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
1086     }
1087     for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
1088       dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
1089       if (!LoopBlockSet.erase(ChainBB)) {
1090         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
1091         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
1092         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
1093         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
1094                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
1095                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
1096                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
1097       }
1098     }
1099
1100     if (!LoopBlockSet.empty()) {
1101       BadLoop = true;
1102       for (MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
1103         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
1104                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
1105                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
1106                << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
1107     }
1108     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
1109   });
1110 }
1111
1112 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
1113   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
1114   // the assumptions of the remaining algorithm.
1115   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
1116   for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
1117     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
1118     BlockChain *Chain =
1119         new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
1120     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
1121     // the exact fallthrough behavior for.
1122     for (;;) {
1123       Cond.clear();
1124       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
1125       if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
1126         break;
1127
1128       MachineFunction::iterator NextFI = std::next(FI);
1129       MachineBasicBlock *NextBB = &*NextFI;
1130       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
1131       // fallthrough is a possibility.
1132       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
1133       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
1134                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
1135                    << "\n");
1136       Chain->merge(NextBB, nullptr);
1137       FI = NextFI;
1138       BB = NextBB;
1139     }
1140   }
1141
1142   if (OutlineOptionalBranches) {
1143     // Find the nearest common dominator of all of F's terminators.
1144     MachineBasicBlock *Terminator = nullptr;
1145     for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
1146       if (MBB.succ_size() == 0) {
1147         if (Terminator == nullptr)
1148           Terminator = &MBB;
1149         else
1150           Terminator = MDT->findNearestCommonDominator(Terminator, &MBB);
1151       }
1152     }
1153
1154     // MBBs dominating this common dominator are unavoidable.
1155     UnavoidableBlocks.clear();
1156     for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
1157       if (MDT->dominates(&MBB, Terminator)) {
1158         UnavoidableBlocks.insert(&MBB);
1159       }
1160     }
1161   }
1162
1163   // Build any loop-based chains.
1164   for (MachineLoop *L : *MLI)
1165     buildLoopChains(F, *L);
1166
1167   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
1168
1169   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
1170   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
1171     BlockChain &Chain = *BlockToChain[&MBB];
1172     if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1173       continue;
1174
1175     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
1176     for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1177       assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
1178       for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1179         if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
1180           continue;
1181         ++Chain.LoopPredecessors;
1182       }
1183     }
1184
1185     if (Chain.LoopPredecessors == 0)
1186       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
1187   }
1188
1189   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F.front()];
1190   buildChain(&F.front(), FunctionChain, BlockWorkList);
1191
1192 #ifndef NDEBUG
1193   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
1194 #endif
1195   DEBUG({
1196     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
1197     bool BadFunc = false;
1198     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
1199     for (MachineBasicBlock &MBB : F)
1200       FunctionBlockSet.insert(&MBB);
1201
1202     for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
1203       if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
1204         BadFunc = true;
1205         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
1206                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
1207       }
1208
1209     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
1210       BadFunc = true;
1211       for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
1212         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
1213                << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
1214     }
1215     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
1216   });
1217
1218   // Splice the blocks into place.
1219   MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
1220   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
1221     DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
1222                                                        : "          ... ")
1223                  << getBlockName(ChainBB) << "\n");
1224     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
1225       F.splice(InsertPos, ChainBB);
1226     else
1227       ++InsertPos;
1228
1229     // Update the terminator of the previous block.
1230     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
1231       continue;
1232     MachineBasicBlock *PrevBB = &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
1233
1234     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
1235     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
1236     // boiler plate.
1237     Cond.clear();
1238     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
1239     if (!TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
1240       // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
1241       //   o. it may fall-through to a block without explict "goto" instruction
1242       //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
1243       //   o. just opposite.
1244       //
1245       // AnalyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
1246       // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set
1247       // NULL; for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL,
1248       // is mistakenly pointing to "*BI".
1249       //
1250       bool needUpdateBr = true;
1251       if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
1252         PrevBB->updateTerminator();
1253         needUpdateBr = false;
1254         Cond.clear();
1255         TBB = FBB = nullptr;
1256         if (TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
1257           // FIXME: This should never take place.
1258           TBB = FBB = nullptr;
1259         }
1260       }
1261
1262       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
1263       // such that we branch to the successor with higher weight first.
1264       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
1265           MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB) > MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) &&
1266           !TII->ReverseBranchCondition(Cond)) {
1267         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
1268                      << getBlockName(PrevBB) << "\n");
1269         DEBUG(dbgs() << "    Edge weight: " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB)
1270                      << " vs " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) << "\n");
1271         DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
1272         TII->RemoveBranch(*PrevBB);
1273         TII->InsertBranch(*PrevBB, FBB, TBB, Cond, dl);
1274         needUpdateBr = true;
1275       }
1276       if (needUpdateBr)
1277         PrevBB->updateTerminator();
1278     }
1279   }
1280
1281   // Fixup the last block.
1282   Cond.clear();
1283   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
1284   if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
1285     F.back().updateTerminator();
1286
1287   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
1288   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
1289   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
1290   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
1291   // loop rotations done during this layout pass.
1292   // FIXME: Use Function::optForSize().
1293   if (F.getFunction()->hasFnAttribute(Attribute::OptimizeForSize))
1294     return;
1295   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
1296     return; // Empty chain.
1297
1298   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
1299   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(&F.front());
1300   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
1301   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
1302     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
1303       continue;
1304
1305     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
1306     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
1307     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
1308     // rotated loops.
1309     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
1310     if (!L)
1311       continue;
1312
1313     unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
1314     if (!Align)
1315       continue; // Don't care about loop alignment.
1316
1317     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
1318     // aligning it.
1319     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
1320     if (Freq < WeightedEntryFreq)
1321       continue;
1322
1323     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
1324     // regardless of what edges into the block exist.
1325     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
1326     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
1327     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
1328       continue;
1329
1330     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
1331     // from aligning this block.
1332     MachineBasicBlock *LayoutPred =
1333         &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
1334
1335     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
1336     // that the block isn't cold above.
1337     if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
1338       ChainBB->setAlignment(Align);
1339       continue;
1340     }
1341
1342     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
1343     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
1344     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
1345     // important.
1346     BranchProbability LayoutProb =
1347         MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
1348     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
1349     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
1350       ChainBB->setAlignment(Align);
1351   }
1352 }
1353
1354 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1355   // Check for single-block functions and skip them.
1356   if (std::next(F.begin()) == F.end())
1357     return false;
1358
1359   if (skipOptnoneFunction(*F.getFunction()))
1360     return false;
1361
1362   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1363   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1364   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
1365   TII = F.getSubtarget().getInstrInfo();
1366   TLI = F.getSubtarget().getTargetLowering();
1367   MDT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
1368   assert(BlockToChain.empty());
1369
1370   buildCFGChains(F);
1371
1372   BlockToChain.clear();
1373   ChainAllocator.DestroyAll();
1374
1375   if (AlignAllBlock)
1376     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
1377     for (MachineBasicBlock &MBB : F)
1378       MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
1379
1380   // We always return true as we have no way to track whether the final order
1381   // differs from the original order.
1382   return true;
1383 }
1384
1385 namespace {
1386 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
1387 ///
1388 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
1389 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
1390 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
1391 /// alternative placement strategies.
1392 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
1393   /// \brief A handle to the branch probability pass.
1394   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
1395
1396   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
1397   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
1398
1399 public:
1400   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
1401   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
1402     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1403   }
1404
1405   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
1406
1407   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1408     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
1409     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
1410     AU.setPreservesAll();
1411     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
1412   }
1413 };
1414 }
1415
1416 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
1417 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
1418 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1419                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
1420 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
1421 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
1422 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
1423                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
1424
1425 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
1426   // Check for single-block functions and skip them.
1427   if (std::next(F.begin()) == F.end())
1428     return false;
1429
1430   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
1431   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
1432
1433   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
1434     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
1435     Statistic &NumBranches =
1436         (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
1437     Statistic &BranchTakenFreq =
1438         (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
1439     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
1440       // Skip if this successor is a fallthrough.
1441       if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
1442         continue;
1443
1444       BlockFrequency EdgeFreq =
1445           BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
1446       ++NumBranches;
1447       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
1448     }
1449   }
1450
1451   return false;
1452 }