lib/CodeGen/MachineLICM.cpp

   1 //===-- MachineLICM.cpp - Machine Loop Invariant Code Motion Pass ---------===//
   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 pass performs loop invariant code motion on machine instructions. We
  11 // attempt to remove as much code from the body of a loop as possible.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "machine-licm"
  16 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  17 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  18 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  20 #include "llvm/Target/MRegisterInfo.h"
  21 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  22 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  23 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  24 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  25 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  26 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28
  29 using namespace llvm;
  30
  31 STATISTIC(NumHoisted, "Number of machine instructions hoisted out of loops");
  32
  33 namespace {
  34   class VISIBILITY_HIDDEN MachineLICM : public MachineFunctionPass {
  35     const TargetMachine   *TM;
  36     const TargetInstrInfo *TII;
  37     MachineFunction       *CurMF; // Current MachineFunction
  38
  39     // Various analyses that we use...
  40     MachineLoopInfo      *LI;   // Current MachineLoopInfo
  41     MachineDominatorTree *DT;   // Machine dominator tree for the current Loop
  42     MachineRegisterInfo  *RegInfo; // Machine register information
  43
  44     // State that is updated as we process loops
  45     bool         Changed;       // True if a loop is changed.
  46     MachineLoop *CurLoop;       // The current loop we are working on.
  47   public:
  48     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  49     MachineLICM() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
  50
  51     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
  52
  53     /// FIXME: Loop preheaders?
  54     ///
  55     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  56       AU.setPreservesCFG();
  57       AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
  58       AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
  59       AU.addPreserved<MachineLoopInfo>();
  60       AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
  61       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  62     }
  63   private:
  64     /// VisitAllLoops - Visit all of the loops in depth first order and try to
  65     /// hoist invariant instructions from them.
  66     ///
  67     void VisitAllLoops(MachineLoop *L) {
  68       const std::vector<MachineLoop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
  69
  70       for (MachineLoop::iterator
  71              I = SubLoops.begin(), E = SubLoops.end(); I != E; ++I) {
  72         MachineLoop *ML = *I;
  73
  74         // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator
  75         // tree so that we are guaranteed to see definitions before we see uses.
  76         VisitAllLoops(ML);
  77         HoistRegion(DT->getNode(ML->getHeader()));
  78       }
  79
  80       HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
  81     }
  82
  83     /// IsInSubLoop - A little predicate that returns true if the specified
  84     /// basic block is in a subloop of the current one, not the current one
  85     /// itself.
  86     ///
  87     bool IsInSubLoop(MachineBasicBlock *BB) {
  88       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
  89       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
  90     }
  91
  92     /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
  93     /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of
  94     /// the loop, physical registers aren't accessed (explicitly or implicitly),
  95     /// and the instruction is hoistable.
  96     ///
  97     bool IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I);
  98
  99     /// FindPredecessors - Get all of the predecessors of the loop that are not
 100     /// back-edges.
 101     ///
 102     void FindPredecessors(std::vector<MachineBasicBlock*> &Preds) {
 103       const MachineBasicBlock *Header = CurLoop->getHeader();
 104
 105       for (MachineBasicBlock::const_pred_iterator
 106              I = Header->pred_begin(), E = Header->pred_end(); I != E; ++I)
 107         if (!CurLoop->contains(*I))
 108           Preds.push_back(*I);
 109     }
 110
 111     /// MoveInstToEndOfBlock - Moves the machine instruction to the bottom of
 112     /// the predecessor basic block (but before the terminator instructions).
 113     ///
 114     void MoveInstToEndOfBlock(MachineBasicBlock *ToMBB,
 115                               MachineBasicBlock *FromMBB,
 116                               MachineInstr *MI) {
 117       DEBUG({
 118           DOUT << "Hoisting " << *MI;
 119           if (ToMBB->getBasicBlock())
 120             DOUT << " to MachineBasicBlock "
 121                  << ToMBB->getBasicBlock()->getName();
 122           DOUT << "\n";
 123         });
 124
 125       MachineBasicBlock::iterator WhereIter = ToMBB->getFirstTerminator();
 126       MachineBasicBlock::iterator To, From = FromMBB->begin();
 127
 128       while (&*From != MI)
 129         ++From;
 130
 131       assert(From != FromMBB->end() && "Didn't find instr in BB!");
 132
 133       To = From;
 134       ToMBB->splice(WhereIter, FromMBB, From, ++To);
 135       ++NumHoisted;
 136     }
 137
 138     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
 139     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
 140     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree. This allows us to
 141     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
 142     /// pass without iteration.
 143     ///
 144     void HoistRegion(MachineDomTreeNode *N);
 145
 146     /// Hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
 147     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
 148     ///
 149     void Hoist(MachineInstr &MI);
 150   };
 151
 152   char MachineLICM::ID = 0;
 153   RegisterPass<MachineLICM> X("machine-licm",
 154                               "Machine Loop Invariant Code Motion");
 155 } // end anonymous namespace
 156
 157 FunctionPass *llvm::createMachineLICMPass() { return new MachineLICM(); }
 158
 159 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner loop
 160 /// is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple times on one
 161 /// loop.
 162 ///
 163 bool MachineLICM::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 164   DOUT << "******** Machine LICM ********\n";
 165
 166   Changed = false;
 167   CurMF = &MF;
 168   TM = &CurMF->getTarget();
 169   TII = TM->getInstrInfo();
 170   RegInfo = &CurMF->getRegInfo();
 171
 172   // Get our Loop information...
 173   LI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 174   DT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
 175
 176   for (MachineLoopInfo::iterator
 177          I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I) {
 178     CurLoop = *I;
 179
 180     // Visit all of the instructions of the loop. We want to visit the subloops
 181     // first, though, so that we can hoist their invariants first into their
 182     // containing loop before we process that loop.
 183     VisitAllLoops(CurLoop);
 184   }
 185
 186   return Changed;
 187 }
 188
 189 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
 190 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
 191 /// first order w.r.t the DominatorTree. This allows us to visit definitions
 192 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
 193 ///
 194 void MachineLICM::HoistRegion(MachineDomTreeNode *N) {
 195   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
 196   MachineBasicBlock *BB = N->getBlock();
 197
 198   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
 199   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
 200
 201   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
 202   // subloop (which would already have been processed).
 203   if (!IsInSubLoop(BB))
 204     for (MachineBasicBlock::iterator
 205            I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
 206       MachineInstr &MI = *I++;
 207
 208       // Try hoisting the instruction out of the loop. We can only do this if
 209       // all of the operands of the instruction are loop invariant and if it is
 210       // safe to hoist the instruction.
 211       Hoist(MI);
 212     }
 213
 214   const std::vector<MachineDomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
 215
 216   for (unsigned I = 0, E = Children.size(); I != E; ++I)
 217     HoistRegion(Children[I]);
 218 }
 219
 220 /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
 221 /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of the
 222 /// loop, physical registers aren't accessed explicitly, and there are no side
 223 /// effects that aren't captured by the operands or other flags.
 224 ///
 225 bool MachineLICM::IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I) {
 226   DEBUG({
 227       DOUT << "--- Checking if we can hoist " << I;
 228       if (I.getDesc()->ImplicitUses) {
 229         DOUT << "  * Instruction has implicit uses:\n";
 230
 231         const MRegisterInfo *MRI = TM->getRegisterInfo();
 232         for (const unsigned *ImpUses = I.getDesc()->ImplicitUses;
 233              *ImpUses; ++ImpUses)
 234           DOUT << "      -> " << MRI->getName(*ImpUses) << "\n";
 235       }
 236
 237       if (I.getDesc()->ImplicitDefs) {
 238         DOUT << "  * Instruction has implicit defines:\n";
 239
 240         const MRegisterInfo *MRI = TM->getRegisterInfo();
 241         for (const unsigned *ImpDefs = I.getDesc()->ImplicitDefs;
 242              *ImpDefs; ++ImpDefs)
 243           DOUT << "      -> " << MRI->getName(*ImpDefs) << "\n";
 244       }
 245
 246       if (TII->hasUnmodelledSideEffects(&I))
 247         DOUT << "  * Instruction has side effects.\n";
 248     });
 249
 250   // The instruction is loop invariant if all of its operands are loop-invariant
 251   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i) {
 252     const MachineOperand &MO = I.getOperand(i);
 253
 254     if (!(MO.isRegister() && MO.getReg() && MO.isUse()))
 255       continue;
 256
 257     unsigned Reg = MO.getReg();
 258
 259     // Don't hoist instructions that access physical registers.
 260     if (!MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 261       return false;
 262
 263     assert(RegInfo->getVRegDef(Reg)&&"Machine instr not mapped for this vreg?");
 264
 265     // If the loop contains the definition of an operand, then the instruction
 266     // isn't loop invariant.
 267     if (CurLoop->contains(RegInfo->getVRegDef(Reg)->getParent()))
 268       return false;
 269   }
 270
 271   // Don't hoist something that has unmodelled side effects.
 272   if (TII->hasUnmodelledSideEffects(&I)) return false;
 273
 274   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
 275   return true;
 276 }
 277
 278 /// Hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
 279 /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
 280 ///
 281 void MachineLICM::Hoist(MachineInstr &MI) {
 282   if (!IsLoopInvariantInst(MI)) return;
 283
 284   std::vector<MachineBasicBlock*> Preds;
 285
 286   // Non-back-edge predecessors.
 287   FindPredecessors(Preds);
 288
 289   // Either we don't have any predecessors(?!) or we have more than one, which
 290   // is forbidden.
 291   if (Preds.empty() || Preds.size() != 1) return;
 292
 293   // Check that the predecessor is qualified to take the hoisted
 294   // instruction. I.e., there is only one edge from the predecessor, and it's to
 295   // the loop header.
 296   MachineBasicBlock *MBB = Preds.front();
 297
 298   // FIXME: We are assuming at first that the basic block coming into this loop
 299   // has only one successor. This isn't the case in general because we haven't
 300   // broken critical edges or added preheaders.
 301   if (MBB->succ_size() != 1) return;
 302   assert(*MBB->succ_begin() == CurLoop->getHeader() &&
 303          "The predecessor doesn't feed directly into the loop header!");
 304
 305   // Now move the instructions to the predecessor.
 306   MoveInstToEndOfBlock(MBB, MI.getParent(), &MI);
 307   Changed = true;
 308 }