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 // This pass does not attempt to throttle itself to limit register pressure.
  14 // The register allocation phases are expected to perform rematerialization
  15 // to recover when register pressure is high.
  16 //
  17 // This pass is not intended to be a replacement or a complete alternative
  18 // for the LLVM-IR-level LICM pass. It is only designed to hoist simple
  19 // constructs that are not exposed before lowering and instruction selection.
  20 //
  21 //===----------------------------------------------------------------------===//
  22
  23 #define DEBUG_TYPE "machine-licm"
  24 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  25 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  26 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
  27 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  28 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  29 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  30 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  31 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  32 #include "llvm/CodeGen/MachineMemOperand.h"
  33 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  34 #include "llvm/CodeGen/PseudoSourceValue.h"
  35 #include "llvm/MC/MCInstrItineraries.h"
  36 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  37 #include "llvm/Support/Debug.h"
  38 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  39 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  40 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
  41 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  42 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  43 using namespace llvm;
  44
  45 static cl::opt<bool>
  46 AvoidSpeculation("avoid-speculation",
  47                  cl::desc("MachineLICM should avoid speculation"),
  48                  cl::init(true), cl::Hidden);
  49
  50 STATISTIC(NumHoisted,
  51           "Number of machine instructions hoisted out of loops");
  52 STATISTIC(NumLowRP,
  53           "Number of instructions hoisted in low reg pressure situation");
  54 STATISTIC(NumHighLatency,
  55           "Number of high latency instructions hoisted");
  56 STATISTIC(NumCSEed,
  57           "Number of hoisted machine instructions CSEed");
  58 STATISTIC(NumPostRAHoisted,
  59           "Number of machine instructions hoisted out of loops post regalloc");
  60
  61 namespace {
  62   class MachineLICM : public MachineFunctionPass {
  63     const TargetMachine   *TM;
  64     const TargetInstrInfo *TII;
  65     const TargetLoweringBase *TLI;
  66     const TargetRegisterInfo *TRI;
  67     const MachineFrameInfo *MFI;
  68     MachineRegisterInfo *MRI;
  69     const InstrItineraryData *InstrItins;
  70     bool PreRegAlloc;
  71
  72     // Various analyses that we use...
  73     AliasAnalysis        *AA;      // Alias analysis info.
  74     MachineLoopInfo      *MLI;     // Current MachineLoopInfo
  75     MachineDominatorTree *DT;      // Machine dominator tree for the cur loop
  76
  77     // State that is updated as we process loops
  78     bool         Changed;          // True if a loop is changed.
  79     bool         FirstInLoop;      // True if it's the first LICM in the loop.
  80     MachineLoop *CurLoop;          // The current loop we are working on.
  81     MachineBasicBlock *CurPreheader; // The preheader for CurLoop.
  82
  83     // Exit blocks for CurLoop.
  84     SmallVector<MachineBasicBlock*, 8> ExitBlocks;
  85
  86     bool isExitBlock(const MachineBasicBlock *MBB) const {
  87       return std::find(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end(), MBB) !=
  88         ExitBlocks.end();
  89     }
  90
  91     // Track 'estimated' register pressure.
  92     SmallSet<unsigned, 32> RegSeen;
  93     SmallVector<unsigned, 8> RegPressure;
  94
  95     // Register pressure "limit" per register class. If the pressure
  96     // is higher than the limit, then it's considered high.
  97     SmallVector<unsigned, 8> RegLimit;
  98
  99     // Register pressure on path leading from loop preheader to current BB.
 100     SmallVector<SmallVector<unsigned, 8>, 16> BackTrace;
 101
 102     // For each opcode, keep a list of potential CSE instructions.
 103     DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> > CSEMap;
 104
 105     enum {
 106       SpeculateFalse   = 0,
 107       SpeculateTrue    = 1,
 108       SpeculateUnknown = 2
 109     };
 110
 111     // If a MBB does not dominate loop exiting blocks then it may not safe
 112     // to hoist loads from this block.
 113     // Tri-state: 0 - false, 1 - true, 2 - unknown
 114     unsigned SpeculationState;
 115
 116   public:
 117     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 118     MachineLICM() :
 119       MachineFunctionPass(ID), PreRegAlloc(true) {
 120         initializeMachineLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 121       }
 122
 123     explicit MachineLICM(bool PreRA) :
 124       MachineFunctionPass(ID), PreRegAlloc(PreRA) {
 125         initializeMachineLICMPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 126       }
 127
 128     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
 129
 130     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 131       AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
 132       AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
 133       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
 134       AU.addPreserved<MachineLoopInfo>();
 135       AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
 136       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 137     }
 138
 139     void releaseMemory() override {
 140       RegSeen.clear();
 141       RegPressure.clear();
 142       RegLimit.clear();
 143       BackTrace.clear();
 144       for (DenseMap<unsigned,std::vector<const MachineInstr*> >::iterator
 145              CI = CSEMap.begin(), CE = CSEMap.end(); CI != CE; ++CI)
 146         CI->second.clear();
 147       CSEMap.clear();
 148     }
 149
 150   private:
 151     /// CandidateInfo - Keep track of information about hoisting candidates.
 152     struct CandidateInfo {
 153       MachineInstr *MI;
 154       unsigned      Def;
 155       int           FI;
 156       CandidateInfo(MachineInstr *mi, unsigned def, int fi)
 157         : MI(mi), Def(def), FI(fi) {}
 158     };
 159
 160     /// HoistRegionPostRA - Walk the specified region of the CFG and hoist loop
 161     /// invariants out to the preheader.
 162     void HoistRegionPostRA();
 163
 164     /// HoistPostRA - When an instruction is found to only use loop invariant
 165     /// operands that is safe to hoist, this instruction is called to do the
 166     /// dirty work.
 167     void HoistPostRA(MachineInstr *MI, unsigned Def);
 168
 169     /// ProcessMI - Examine the instruction for potentai LICM candidate. Also
 170     /// gather register def and frame object update information.
 171     void ProcessMI(MachineInstr *MI,
 172                    BitVector &PhysRegDefs,
 173                    BitVector &PhysRegClobbers,
 174                    SmallSet<int, 32> &StoredFIs,
 175                    SmallVectorImpl<CandidateInfo> &Candidates);
 176
 177     /// AddToLiveIns - Add register 'Reg' to the livein sets of BBs in the
 178     /// current loop.
 179     void AddToLiveIns(unsigned Reg);
 180
 181     /// IsLICMCandidate - Returns true if the instruction may be a suitable
 182     /// candidate for LICM. e.g. If the instruction is a call, then it's
 183     /// obviously not safe to hoist it.
 184     bool IsLICMCandidate(MachineInstr &I);
 185
 186     /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
 187     /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of
 188     /// the loop, physical registers aren't accessed (explicitly or implicitly),
 189     /// and the instruction is hoistable.
 190     ///
 191     bool IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I);
 192
 193     /// HasLoopPHIUse - Return true if the specified instruction is used by any
 194     /// phi node in the current loop.
 195     bool HasLoopPHIUse(const MachineInstr *MI) const;
 196
 197     /// HasHighOperandLatency - Compute operand latency between a def of 'Reg'
 198     /// and an use in the current loop, return true if the target considered
 199     /// it 'high'.
 200     bool HasHighOperandLatency(MachineInstr &MI, unsigned DefIdx,
 201                                unsigned Reg) const;
 202
 203     bool IsCheapInstruction(MachineInstr &MI) const;
 204
 205     /// CanCauseHighRegPressure - Visit BBs from header to current BB,
 206     /// check if hoisting an instruction of the given cost matrix can cause high
 207     /// register pressure.
 208     bool CanCauseHighRegPressure(DenseMap<unsigned, int> &Cost, bool Cheap);
 209
 210     /// UpdateBackTraceRegPressure - Traverse the back trace from header to
 211     /// the current block and update their register pressures to reflect the
 212     /// effect of hoisting MI from the current block to the preheader.
 213     void UpdateBackTraceRegPressure(const MachineInstr *MI);
 214
 215     /// IsProfitableToHoist - Return true if it is potentially profitable to
 216     /// hoist the given loop invariant.
 217     bool IsProfitableToHoist(MachineInstr &MI);
 218
 219     /// IsGuaranteedToExecute - Check if this mbb is guaranteed to execute.
 220     /// If not then a load from this mbb may not be safe to hoist.
 221     bool IsGuaranteedToExecute(MachineBasicBlock *BB);
 222
 223     void EnterScope(MachineBasicBlock *MBB);
 224
 225     void ExitScope(MachineBasicBlock *MBB);
 226
 227     /// ExitScopeIfDone - Destroy scope for the MBB that corresponds to given
 228     /// dominator tree node if its a leaf or all of its children are done. Walk
 229     /// up the dominator tree to destroy ancestors which are now done.
 230     void ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
 231                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
 232                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap);
 233
 234     /// HoistOutOfLoop - Walk the specified loop in the CFG (defined by all
 235     /// blocks dominated by the specified header block, and that are in the
 236     /// current loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree. This allows
 237     /// us to visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in
 238     /// one pass without iteration.
 239     ///
 240     void HoistOutOfLoop(MachineDomTreeNode *LoopHeaderNode);
 241     void HoistRegion(MachineDomTreeNode *N, bool IsHeader);
 242
 243     /// getRegisterClassIDAndCost - For a given MI, register, and the operand
 244     /// index, return the ID and cost of its representative register class by
 245     /// reference.
 246     void getRegisterClassIDAndCost(const MachineInstr *MI,
 247                                    unsigned Reg, unsigned OpIdx,
 248                                    unsigned &RCId, unsigned &RCCost) const;
 249
 250     /// InitRegPressure - Find all virtual register references that are liveout
 251     /// of the preheader to initialize the starting "register pressure". Note
 252     /// this does not count live through (livein but not used) registers.
 253     void InitRegPressure(MachineBasicBlock *BB);
 254
 255     /// UpdateRegPressure - Update estimate of register pressure after the
 256     /// specified instruction.
 257     void UpdateRegPressure(const MachineInstr *MI);
 258
 259     /// ExtractHoistableLoad - Unfold a load from the given machineinstr if
 260     /// the load itself could be hoisted. Return the unfolded and hoistable
 261     /// load, or null if the load couldn't be unfolded or if it wouldn't
 262     /// be hoistable.
 263     MachineInstr *ExtractHoistableLoad(MachineInstr *MI);
 264
 265     /// LookForDuplicate - Find an instruction amount PrevMIs that is a
 266     /// duplicate of MI. Return this instruction if it's found.
 267     const MachineInstr *LookForDuplicate(const MachineInstr *MI,
 268                                      std::vector<const MachineInstr*> &PrevMIs);
 269
 270     /// EliminateCSE - Given a LICM'ed instruction, look for an instruction on
 271     /// the preheader that compute the same value. If it's found, do a RAU on
 272     /// with the definition of the existing instruction rather than hoisting
 273     /// the instruction to the preheader.
 274     bool EliminateCSE(MachineInstr *MI,
 275            DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> >::iterator &CI);
 276
 277     /// MayCSE - Return true if the given instruction will be CSE'd if it's
 278     /// hoisted out of the loop.
 279     bool MayCSE(MachineInstr *MI);
 280
 281     /// Hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
 282     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
 283     /// It returns true if the instruction is hoisted.
 284     bool Hoist(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *Preheader);
 285
 286     /// InitCSEMap - Initialize the CSE map with instructions that are in the
 287     /// current loop preheader that may become duplicates of instructions that
 288     /// are hoisted out of the loop.
 289     void InitCSEMap(MachineBasicBlock *BB);
 290
 291     /// getCurPreheader - Get the preheader for the current loop, splitting
 292     /// a critical edge if needed.
 293     MachineBasicBlock *getCurPreheader();
 294   };
 295 } // end anonymous namespace
 296
 297 char MachineLICM::ID = 0;
 298 char &llvm::MachineLICMID = MachineLICM::ID;
 299 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineLICM, "machinelicm",
 300                 "Machine Loop Invariant Code Motion", false, false)
 301 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
 302 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
 303 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
 304 INITIALIZE_PASS_END(MachineLICM, "machinelicm",
 305                 "Machine Loop Invariant Code Motion", false, false)
 306
 307 /// LoopIsOuterMostWithPredecessor - Test if the given loop is the outer-most
 308 /// loop that has a unique predecessor.
 309 static bool LoopIsOuterMostWithPredecessor(MachineLoop *CurLoop) {
 310   // Check whether this loop even has a unique predecessor.
 311   if (!CurLoop->getLoopPredecessor())
 312     return false;
 313   // Ok, now check to see if any of its outer loops do.
 314   for (MachineLoop *L = CurLoop->getParentLoop(); L; L = L->getParentLoop())
 315     if (L->getLoopPredecessor())
 316       return false;
 317   // None of them did, so this is the outermost with a unique predecessor.
 318   return true;
 319 }
 320
 321 bool MachineLICM::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 322   if (skipOptnoneFunction(*MF.getFunction()))
 323     return false;
 324
 325   Changed = FirstInLoop = false;
 326   TM = &MF.getTarget();
 327   TII = TM->getInstrInfo();
 328   TLI = TM->getTargetLowering();
 329   TRI = TM->getRegisterInfo();
 330   MFI = MF.getFrameInfo();
 331   MRI = &MF.getRegInfo();
 332   InstrItins = TM->getInstrItineraryData();
 333
 334   PreRegAlloc = MRI->isSSA();
 335
 336   if (PreRegAlloc)
 337     DEBUG(dbgs() << "******** Pre-regalloc Machine LICM: ");
 338   else
 339     DEBUG(dbgs() << "******** Post-regalloc Machine LICM: ");
 340   DEBUG(dbgs() << MF.getName() << " ********\n");
 341
 342   if (PreRegAlloc) {
 343     // Estimate register pressure during pre-regalloc pass.
 344     unsigned NumRC = TRI->getNumRegClasses();
 345     RegPressure.resize(NumRC);
 346     std::fill(RegPressure.begin(), RegPressure.end(), 0);
 347     RegLimit.resize(NumRC);
 348     for (TargetRegisterInfo::regclass_iterator I = TRI->regclass_begin(),
 349            E = TRI->regclass_end(); I != E; ++I)
 350       RegLimit[(*I)->getID()] = TRI->getRegPressureLimit(*I, MF);
 351   }
 352
 353   // Get our Loop information...
 354   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 355   DT  = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
 356   AA  = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
 357
 358   SmallVector<MachineLoop *, 8> Worklist(MLI->begin(), MLI->end());
 359   while (!Worklist.empty()) {
 360     CurLoop = Worklist.pop_back_val();
 361     CurPreheader = 0;
 362     ExitBlocks.clear();
 363
 364     // If this is done before regalloc, only visit outer-most preheader-sporting
 365     // loops.
 366     if (PreRegAlloc && !LoopIsOuterMostWithPredecessor(CurLoop)) {
 367       Worklist.append(CurLoop->begin(), CurLoop->end());
 368       continue;
 369     }
 370
 371     CurLoop->getExitBlocks(ExitBlocks);
 372
 373     if (!PreRegAlloc)
 374       HoistRegionPostRA();
 375     else {
 376       // CSEMap is initialized for loop header when the first instruction is
 377       // being hoisted.
 378       MachineDomTreeNode *N = DT->getNode(CurLoop->getHeader());
 379       FirstInLoop = true;
 380       HoistOutOfLoop(N);
 381       CSEMap.clear();
 382     }
 383   }
 384
 385   return Changed;
 386 }
 387
 388 /// InstructionStoresToFI - Return true if instruction stores to the
 389 /// specified frame.
 390 static bool InstructionStoresToFI(const MachineInstr *MI, int FI) {
 391   for (MachineInstr::mmo_iterator o = MI->memoperands_begin(),
 392          oe = MI->memoperands_end(); o != oe; ++o) {
 393     if (!(*o)->isStore() || !(*o)->getValue())
 394       continue;
 395     if (const FixedStackPseudoSourceValue *Value =
 396         dyn_cast<const FixedStackPseudoSourceValue>((*o)->getValue())) {
 397       if (Value->getFrameIndex() == FI)
 398         return true;
 399     }
 400   }
 401   return false;
 402 }
 403
 404 /// ProcessMI - Examine the instruction for potentai LICM candidate. Also
 405 /// gather register def and frame object update information.
 406 void MachineLICM::ProcessMI(MachineInstr *MI,
 407                             BitVector &PhysRegDefs,
 408                             BitVector &PhysRegClobbers,
 409                             SmallSet<int, 32> &StoredFIs,
 410                             SmallVectorImpl<CandidateInfo> &Candidates) {
 411   bool RuledOut = false;
 412   bool HasNonInvariantUse = false;
 413   unsigned Def = 0;
 414   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 415     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 416     if (MO.isFI()) {
 417       // Remember if the instruction stores to the frame index.
 418       int FI = MO.getIndex();
 419       if (!StoredFIs.count(FI) &&
 420           MFI->isSpillSlotObjectIndex(FI) &&
 421           InstructionStoresToFI(MI, FI))
 422         StoredFIs.insert(FI);
 423       HasNonInvariantUse = true;
 424       continue;
 425     }
 426
 427     // We can't hoist an instruction defining a physreg that is clobbered in
 428     // the loop.
 429     if (MO.isRegMask()) {
 430       PhysRegClobbers.setBitsNotInMask(MO.getRegMask());
 431       continue;
 432     }
 433
 434     if (!MO.isReg())
 435       continue;
 436     unsigned Reg = MO.getReg();
 437     if (!Reg)
 438       continue;
 439     assert(TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Reg) &&
 440            "Not expecting virtual register!");
 441
 442     if (!MO.isDef()) {
 443       if (Reg && (PhysRegDefs.test(Reg) || PhysRegClobbers.test(Reg)))
 444         // If it's using a non-loop-invariant register, then it's obviously not
 445         // safe to hoist.
 446         HasNonInvariantUse = true;
 447       continue;
 448     }
 449
 450     if (MO.isImplicit()) {
 451       for (MCRegAliasIterator AI(Reg, TRI, true); AI.isValid(); ++AI)
 452         PhysRegClobbers.set(*AI);
 453       if (!MO.isDead())
 454         // Non-dead implicit def? This cannot be hoisted.
 455         RuledOut = true;
 456       // No need to check if a dead implicit def is also defined by
 457       // another instruction.
 458       continue;
 459     }
 460
 461     // FIXME: For now, avoid instructions with multiple defs, unless
 462     // it's a dead implicit def.
 463     if (Def)
 464       RuledOut = true;
 465     else
 466       Def = Reg;
 467
 468     // If we have already seen another instruction that defines the same
 469     // register, then this is not safe.  Two defs is indicated by setting a
 470     // PhysRegClobbers bit.
 471     for (MCRegAliasIterator AS(Reg, TRI, true); AS.isValid(); ++AS) {
 472       if (PhysRegDefs.test(*AS))
 473         PhysRegClobbers.set(*AS);
 474       PhysRegDefs.set(*AS);
 475     }
 476     if (PhysRegClobbers.test(Reg))
 477       // MI defined register is seen defined by another instruction in
 478       // the loop, it cannot be a LICM candidate.
 479       RuledOut = true;
 480   }
 481
 482   // Only consider reloads for now and remats which do not have register
 483   // operands. FIXME: Consider unfold load folding instructions.
 484   if (Def && !RuledOut) {
 485     int FI = INT_MIN;
 486     if ((!HasNonInvariantUse && IsLICMCandidate(*MI)) ||
 487         (TII->isLoadFromStackSlot(MI, FI) && MFI->isSpillSlotObjectIndex(FI)))
 488       Candidates.push_back(CandidateInfo(MI, Def, FI));
 489   }
 490 }
 491
 492 /// HoistRegionPostRA - Walk the specified region of the CFG and hoist loop
 493 /// invariants out to the preheader.
 494 void MachineLICM::HoistRegionPostRA() {
 495   MachineBasicBlock *Preheader = getCurPreheader();
 496   if (!Preheader)
 497     return;
 498
 499   unsigned NumRegs = TRI->getNumRegs();
 500   BitVector PhysRegDefs(NumRegs); // Regs defined once in the loop.
 501   BitVector PhysRegClobbers(NumRegs); // Regs defined more than once.
 502
 503   SmallVector<CandidateInfo, 32> Candidates;
 504   SmallSet<int, 32> StoredFIs;
 505
 506   // Walk the entire region, count number of defs for each register, and
 507   // collect potential LICM candidates.
 508   const std::vector<MachineBasicBlock *> &Blocks = CurLoop->getBlocks();
 509   for (unsigned i = 0, e = Blocks.size(); i != e; ++i) {
 510     MachineBasicBlock *BB = Blocks[i];
 511
 512     // If the header of the loop containing this basic block is a landing pad,
 513     // then don't try to hoist instructions out of this loop.
 514     const MachineLoop *ML = MLI->getLoopFor(BB);
 515     if (ML && ML->getHeader()->isLandingPad()) continue;
 516
 517     // Conservatively treat live-in's as an external def.
 518     // FIXME: That means a reload that're reused in successor block(s) will not
 519     // be LICM'ed.
 520     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = BB->livein_begin(),
 521            E = BB->livein_end(); I != E; ++I) {
 522       unsigned Reg = *I;
 523       for (MCRegAliasIterator AI(Reg, TRI, true); AI.isValid(); ++AI)
 524         PhysRegDefs.set(*AI);
 525     }
 526
 527     SpeculationState = SpeculateUnknown;
 528     for (MachineBasicBlock::iterator
 529            MII = BB->begin(), E = BB->end(); MII != E; ++MII) {
 530       MachineInstr *MI = &*MII;
 531       ProcessMI(MI, PhysRegDefs, PhysRegClobbers, StoredFIs, Candidates);
 532     }
 533   }
 534
 535   // Gather the registers read / clobbered by the terminator.
 536   BitVector TermRegs(NumRegs);
 537   MachineBasicBlock::iterator TI = Preheader->getFirstTerminator();
 538   if (TI != Preheader->end()) {
 539     for (unsigned i = 0, e = TI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 540       const MachineOperand &MO = TI->getOperand(i);
 541       if (!MO.isReg())
 542         continue;
 543       unsigned Reg = MO.getReg();
 544       if (!Reg)
 545         continue;
 546       for (MCRegAliasIterator AI(Reg, TRI, true); AI.isValid(); ++AI)
 547         TermRegs.set(*AI);
 548     }
 549   }
 550
 551   // Now evaluate whether the potential candidates qualify.
 552   // 1. Check if the candidate defined register is defined by another
 553   //    instruction in the loop.
 554   // 2. If the candidate is a load from stack slot (always true for now),
 555   //    check if the slot is stored anywhere in the loop.
 556   // 3. Make sure candidate def should not clobber
 557   //    registers read by the terminator. Similarly its def should not be
 558   //    clobbered by the terminator.
 559   for (unsigned i = 0, e = Candidates.size(); i != e; ++i) {
 560     if (Candidates[i].FI != INT_MIN &&
 561         StoredFIs.count(Candidates[i].FI))
 562       continue;
 563
 564     unsigned Def = Candidates[i].Def;
 565     if (!PhysRegClobbers.test(Def) && !TermRegs.test(Def)) {
 566       bool Safe = true;
 567       MachineInstr *MI = Candidates[i].MI;
 568       for (unsigned j = 0, ee = MI->getNumOperands(); j != ee; ++j) {
 569         const MachineOperand &MO = MI->getOperand(j);
 570         if (!MO.isReg() || MO.isDef() || !MO.getReg())
 571           continue;
 572         unsigned Reg = MO.getReg();
 573         if (PhysRegDefs.test(Reg) ||
 574             PhysRegClobbers.test(Reg)) {
 575           // If it's using a non-loop-invariant register, then it's obviously
 576           // not safe to hoist.
 577           Safe = false;
 578           break;
 579         }
 580       }
 581       if (Safe)
 582         HoistPostRA(MI, Candidates[i].Def);
 583     }
 584   }
 585 }
 586
 587 /// AddToLiveIns - Add register 'Reg' to the livein sets of BBs in the current
 588 /// loop, and make sure it is not killed by any instructions in the loop.
 589 void MachineLICM::AddToLiveIns(unsigned Reg) {
 590   const std::vector<MachineBasicBlock *> &Blocks = CurLoop->getBlocks();
 591   for (unsigned i = 0, e = Blocks.size(); i != e; ++i) {
 592     MachineBasicBlock *BB = Blocks[i];
 593     if (!BB->isLiveIn(Reg))
 594       BB->addLiveIn(Reg);
 595     for (MachineBasicBlock::iterator
 596            MII = BB->begin(), E = BB->end(); MII != E; ++MII) {
 597       MachineInstr *MI = &*MII;
 598       for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 599         MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 600         if (!MO.isReg() || !MO.getReg() || MO.isDef()) continue;
 601         if (MO.getReg() == Reg || TRI->isSuperRegister(Reg, MO.getReg()))
 602           MO.setIsKill(false);
 603       }
 604     }
 605   }
 606 }
 607
 608 /// HoistPostRA - When an instruction is found to only use loop invariant
 609 /// operands that is safe to hoist, this instruction is called to do the
 610 /// dirty work.
 611 void MachineLICM::HoistPostRA(MachineInstr *MI, unsigned Def) {
 612   MachineBasicBlock *Preheader = getCurPreheader();
 613
 614   // Now move the instructions to the predecessor, inserting it before any
 615   // terminator instructions.
 616   DEBUG(dbgs() << "Hoisting to BB#" << Preheader->getNumber() << " from BB#"
 617                << MI->getParent()->getNumber() << ": " << *MI);
 618
 619   // Splice the instruction to the preheader.
 620   MachineBasicBlock *MBB = MI->getParent();
 621   Preheader->splice(Preheader->getFirstTerminator(), MBB, MI);
 622
 623   // Add register to livein list to all the BBs in the current loop since a
 624   // loop invariant must be kept live throughout the whole loop. This is
 625   // important to ensure later passes do not scavenge the def register.
 626   AddToLiveIns(Def);
 627
 628   ++NumPostRAHoisted;
 629   Changed = true;
 630 }
 631
 632 // IsGuaranteedToExecute - Check if this mbb is guaranteed to execute.
 633 // If not then a load from this mbb may not be safe to hoist.
 634 bool MachineLICM::IsGuaranteedToExecute(MachineBasicBlock *BB) {
 635   if (SpeculationState != SpeculateUnknown)
 636     return SpeculationState == SpeculateFalse;
 637
 638   if (BB != CurLoop->getHeader()) {
 639     // Check loop exiting blocks.
 640     SmallVector<MachineBasicBlock*, 8> CurrentLoopExitingBlocks;
 641     CurLoop->getExitingBlocks(CurrentLoopExitingBlocks);
 642     for (unsigned i = 0, e = CurrentLoopExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
 643       if (!DT->dominates(BB, CurrentLoopExitingBlocks[i])) {
 644         SpeculationState = SpeculateTrue;
 645         return false;
 646       }
 647   }
 648
 649   SpeculationState = SpeculateFalse;
 650   return true;
 651 }
 652
 653 void MachineLICM::EnterScope(MachineBasicBlock *MBB) {
 654   DEBUG(dbgs() << "Entering: " << MBB->getName() << '\n');
 655
 656   // Remember livein register pressure.
 657   BackTrace.push_back(RegPressure);
 658 }
 659
 660 void MachineLICM::ExitScope(MachineBasicBlock *MBB) {
 661   DEBUG(dbgs() << "Exiting: " << MBB->getName() << '\n');
 662   BackTrace.pop_back();
 663 }
 664
 665 /// ExitScopeIfDone - Destroy scope for the MBB that corresponds to the given
 666 /// dominator tree node if its a leaf or all of its children are done. Walk
 667 /// up the dominator tree to destroy ancestors which are now done.
 668 void MachineLICM::ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
 669                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
 670                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap) {
 671   if (OpenChildren[Node])
 672     return;
 673
 674   // Pop scope.
 675   ExitScope(Node->getBlock());
 676
 677   // Now traverse upwards to pop ancestors whose offsprings are all done.
 678   while (MachineDomTreeNode *Parent = ParentMap[Node]) {
 679     unsigned Left = --OpenChildren[Parent];
 680     if (Left != 0)
 681       break;
 682     ExitScope(Parent->getBlock());
 683     Node = Parent;
 684   }
 685 }
 686
 687 /// HoistOutOfLoop - Walk the specified loop in the CFG (defined by all
 688 /// blocks dominated by the specified header block, and that are in the
 689 /// current loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree. This allows
 690 /// us to visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in
 691 /// one pass without iteration.
 692 ///
 693 void MachineLICM::HoistOutOfLoop(MachineDomTreeNode *HeaderN) {
 694   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 32> Scopes;
 695   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 8> WorkList;
 696   DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> ParentMap;
 697   DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> OpenChildren;
 698
 699   // Perform a DFS walk to determine the order of visit.
 700   WorkList.push_back(HeaderN);
 701   do {
 702     MachineDomTreeNode *Node = WorkList.pop_back_val();
 703     assert(Node != 0 && "Null dominator tree node?");
 704     MachineBasicBlock *BB = Node->getBlock();
 705
 706     // If the header of the loop containing this basic block is a landing pad,
 707     // then don't try to hoist instructions out of this loop.
 708     const MachineLoop *ML = MLI->getLoopFor(BB);
 709     if (ML && ML->getHeader()->isLandingPad())
 710       continue;
 711
 712     // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
 713     if (!CurLoop->contains(BB))
 714       continue;
 715
 716     Scopes.push_back(Node);
 717     const std::vector<MachineDomTreeNode*> &Children = Node->getChildren();
 718     unsigned NumChildren = Children.size();
 719
 720     // Don't hoist things out of a large switch statement.  This often causes
 721     // code to be hoisted that wasn't going to be executed, and increases
 722     // register pressure in a situation where it's likely to matter.
 723     if (BB->succ_size() >= 25)
 724       NumChildren = 0;
 725
 726     OpenChildren[Node] = NumChildren;
 727     // Add children in reverse order as then the next popped worklist node is
 728     // the first child of this node.  This means we ultimately traverse the
 729     // DOM tree in exactly the same order as if we'd recursed.
 730     for (int i = (int)NumChildren-1; i >= 0; --i) {
 731       MachineDomTreeNode *Child = Children[i];
 732       ParentMap[Child] = Node;
 733       WorkList.push_back(Child);
 734     }
 735   } while (!WorkList.empty());
 736
 737   if (Scopes.size() != 0) {
 738     MachineBasicBlock *Preheader = getCurPreheader();
 739     if (!Preheader)
 740       return;
 741
 742     // Compute registers which are livein into the loop headers.
 743     RegSeen.clear();
 744     BackTrace.clear();
 745     InitRegPressure(Preheader);
 746   }
 747
 748   // Now perform LICM.
 749   for (unsigned i = 0, e = Scopes.size(); i != e; ++i) {
 750     MachineDomTreeNode *Node = Scopes[i];
 751     MachineBasicBlock *MBB = Node->getBlock();
 752
 753     MachineBasicBlock *Preheader = getCurPreheader();
 754     if (!Preheader)
 755       continue;
 756
 757     EnterScope(MBB);
 758
 759     // Process the block
 760     SpeculationState = SpeculateUnknown;
 761     for (MachineBasicBlock::iterator
 762          MII = MBB->begin(), E = MBB->end(); MII != E; ) {
 763       MachineBasicBlock::iterator NextMII = MII; ++NextMII;
 764       MachineInstr *MI = &*MII;
 765       if (!Hoist(MI, Preheader))
 766         UpdateRegPressure(MI);
 767       MII = NextMII;
 768     }
 769
 770     // If it's a leaf node, it's done. Traverse upwards to pop ancestors.
 771     ExitScopeIfDone(Node, OpenChildren, ParentMap);
 772   }
 773 }
 774
 775 static bool isOperandKill(const MachineOperand &MO, MachineRegisterInfo *MRI) {
 776   return MO.isKill() || MRI->hasOneNonDBGUse(MO.getReg());
 777 }
 778
 779 /// getRegisterClassIDAndCost - For a given MI, register, and the operand
 780 /// index, return the ID and cost of its representative register class.
 781 void
 782 MachineLICM::getRegisterClassIDAndCost(const MachineInstr *MI,
 783                                        unsigned Reg, unsigned OpIdx,
 784                                        unsigned &RCId, unsigned &RCCost) const {
 785   const TargetRegisterClass *RC = MRI->getRegClass(Reg);
 786   MVT VT = *RC->vt_begin();
 787   if (VT == MVT::Untyped) {
 788     RCId = RC->getID();
 789     RCCost = 1;
 790   } else {
 791     RCId = TLI->getRepRegClassFor(VT)->getID();
 792     RCCost = TLI->getRepRegClassCostFor(VT);
 793   }
 794 }
 795
 796 /// InitRegPressure - Find all virtual register references that are liveout of
 797 /// the preheader to initialize the starting "register pressure". Note this
 798 /// does not count live through (livein but not used) registers.
 799 void MachineLICM::InitRegPressure(MachineBasicBlock *BB) {
 800   std::fill(RegPressure.begin(), RegPressure.end(), 0);
 801
 802   // If the preheader has only a single predecessor and it ends with a
 803   // fallthrough or an unconditional branch, then scan its predecessor for live
 804   // defs as well. This happens whenever the preheader is created by splitting
 805   // the critical edge from the loop predecessor to the loop header.
 806   if (BB->pred_size() == 1) {
 807     MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0;
 808     SmallVector<MachineOperand, 4> Cond;
 809     if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond, false) && Cond.empty())
 810       InitRegPressure(*BB->pred_begin());
 811   }
 812
 813   for (MachineBasicBlock::iterator MII = BB->begin(), E = BB->end();
 814        MII != E; ++MII) {
 815     MachineInstr *MI = &*MII;
 816     for (unsigned i = 0, e = MI->getDesc().getNumOperands(); i != e; ++i) {
 817       const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 818       if (!MO.isReg() || MO.isImplicit())
 819         continue;
 820       unsigned Reg = MO.getReg();
 821       if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 822         continue;
 823
 824       bool isNew = RegSeen.insert(Reg);
 825       unsigned RCId, RCCost;
 826       getRegisterClassIDAndCost(MI, Reg, i, RCId, RCCost);
 827       if (MO.isDef())
 828         RegPressure[RCId] += RCCost;
 829       else {
 830         bool isKill = isOperandKill(MO, MRI);
 831         if (isNew && !isKill)
 832           // Haven't seen this, it must be a livein.
 833           RegPressure[RCId] += RCCost;
 834         else if (!isNew && isKill)
 835           RegPressure[RCId] -= RCCost;
 836       }
 837     }
 838   }
 839 }
 840
 841 /// UpdateRegPressure - Update estimate of register pressure after the
 842 /// specified instruction.
 843 void MachineLICM::UpdateRegPressure(const MachineInstr *MI) {
 844   if (MI->isImplicitDef())
 845     return;
 846
 847   SmallVector<unsigned, 4> Defs;
 848   for (unsigned i = 0, e = MI->getDesc().getNumOperands(); i != e; ++i) {
 849     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 850     if (!MO.isReg() || MO.isImplicit())
 851       continue;
 852     unsigned Reg = MO.getReg();
 853     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 854       continue;
 855
 856     bool isNew = RegSeen.insert(Reg);
 857     if (MO.isDef())
 858       Defs.push_back(Reg);
 859     else if (!isNew && isOperandKill(MO, MRI)) {
 860       unsigned RCId, RCCost;
 861       getRegisterClassIDAndCost(MI, Reg, i, RCId, RCCost);
 862       if (RCCost > RegPressure[RCId])
 863         RegPressure[RCId] = 0;
 864       else
 865         RegPressure[RCId] -= RCCost;
 866     }
 867   }
 868
 869   unsigned Idx = 0;
 870   while (!Defs.empty()) {
 871     unsigned Reg = Defs.pop_back_val();
 872     unsigned RCId, RCCost;
 873     getRegisterClassIDAndCost(MI, Reg, Idx, RCId, RCCost);
 874     RegPressure[RCId] += RCCost;
 875     ++Idx;
 876   }
 877 }
 878
 879 /// isLoadFromGOTOrConstantPool - Return true if this machine instruction
 880 /// loads from global offset table or constant pool.
 881 static bool isLoadFromGOTOrConstantPool(MachineInstr &MI) {
 882   assert (MI.mayLoad() && "Expected MI that loads!");
 883   for (MachineInstr::mmo_iterator I = MI.memoperands_begin(),
 884          E = MI.memoperands_end(); I != E; ++I) {
 885     if (const Value *V = (*I)->getValue()) {
 886       if (const PseudoSourceValue *PSV = dyn_cast<PseudoSourceValue>(V))
 887         if (PSV == PSV->getGOT() || PSV == PSV->getConstantPool())
 888           return true;
 889     }
 890   }
 891   return false;
 892 }
 893
 894 /// IsLICMCandidate - Returns true if the instruction may be a suitable
 895 /// candidate for LICM. e.g. If the instruction is a call, then it's obviously
 896 /// not safe to hoist it.
 897 bool MachineLICM::IsLICMCandidate(MachineInstr &I) {
 898   // Check if it's safe to move the instruction.
 899   bool DontMoveAcrossStore = true;
 900   if (!I.isSafeToMove(TII, AA, DontMoveAcrossStore))
 901     return false;
 902
 903   // If it is load then check if it is guaranteed to execute by making sure that
 904   // it dominates all exiting blocks. If it doesn't, then there is a path out of
 905   // the loop which does not execute this load, so we can't hoist it. Loads
 906   // from constant memory are not safe to speculate all the time, for example
 907   // indexed load from a jump table.
 908   // Stores and side effects are already checked by isSafeToMove.
 909   if (I.mayLoad() && !isLoadFromGOTOrConstantPool(I) &&
 910       !IsGuaranteedToExecute(I.getParent()))
 911     return false;
 912
 913   return true;
 914 }
 915
 916 /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
 917 /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of the
 918 /// loop, physical registers aren't accessed explicitly, and there are no side
 919 /// effects that aren't captured by the operands or other flags.
 920 ///
 921 bool MachineLICM::IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I) {
 922   if (!IsLICMCandidate(I))
 923     return false;
 924
 925   // The instruction is loop invariant if all of its operands are.
 926   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i) {
 927     const MachineOperand &MO = I.getOperand(i);
 928
 929     if (!MO.isReg())
 930       continue;
 931
 932     unsigned Reg = MO.getReg();
 933     if (Reg == 0) continue;
 934
 935     // Don't hoist an instruction that uses or defines a physical register.
 936     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Reg)) {
 937       if (MO.isUse()) {
 938         // If the physreg has no defs anywhere, it's just an ambient register
 939         // and we can freely move its uses. Alternatively, if it's allocatable,
 940         // it could get allocated to something with a def during allocation.
 941         if (!MRI->isConstantPhysReg(Reg, *I.getParent()->getParent()))
 942           return false;
 943         // Otherwise it's safe to move.
 944         continue;
 945       } else if (!MO.isDead()) {
 946         // A def that isn't dead. We can't move it.
 947         return false;
 948       } else if (CurLoop->getHeader()->isLiveIn(Reg)) {
 949         // If the reg is live into the loop, we can't hoist an instruction
 950         // which would clobber it.
 951         return false;
 952       }
 953     }
 954
 955     if (!MO.isUse())
 956       continue;
 957
 958     assert(MRI->getVRegDef(Reg) &&
 959            "Machine instr not mapped for this vreg?!");
 960
 961     // If the loop contains the definition of an operand, then the instruction
 962     // isn't loop invariant.
 963     if (CurLoop->contains(MRI->getVRegDef(Reg)))
 964       return false;
 965   }
 966
 967   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
 968   return true;
 969 }
 970
 971
 972 /// HasLoopPHIUse - Return true if the specified instruction is used by a
 973 /// phi node and hoisting it could cause a copy to be inserted.
 974 bool MachineLICM::HasLoopPHIUse(const MachineInstr *MI) const {
 975   SmallVector<const MachineInstr*, 8> Work(1, MI);
 976   do {
 977     MI = Work.pop_back_val();
 978     for (ConstMIOperands MO(MI); MO.isValid(); ++MO) {
 979       if (!MO->isReg() || !MO->isDef())
 980         continue;
 981       unsigned Reg = MO->getReg();
 982       if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 983         continue;
 984       for (MachineInstr &UseMI : MRI->use_instructions(Reg)) {
 985         // A PHI may cause a copy to be inserted.
 986         if (UseMI.isPHI()) {
 987           // A PHI inside the loop causes a copy because the live range of Reg is
 988           // extended across the PHI.
 989           if (CurLoop->contains(&UseMI))
 990             return true;
 991           // A PHI in an exit block can cause a copy to be inserted if the PHI
 992           // has multiple predecessors in the loop with different values.
 993           // For now, approximate by rejecting all exit blocks.
 994           if (isExitBlock(UseMI.getParent()))
 995             return true;
 996           continue;
 997         }
 998         // Look past copies as well.
 999         if (UseMI.isCopy() && CurLoop->contains(&UseMI))
1000           Work.push_back(&UseMI);
1001       }
1002     }
1003   } while (!Work.empty());
1004   return false;
1005 }
1006
1007 /// HasHighOperandLatency - Compute operand latency between a def of 'Reg'
1008 /// and an use in the current loop, return true if the target considered
1009 /// it 'high'.
1010 bool MachineLICM::HasHighOperandLatency(MachineInstr &MI,
1011                                         unsigned DefIdx, unsigned Reg) const {
1012   if (!InstrItins || InstrItins->isEmpty() || MRI->use_nodbg_empty(Reg))
1013     return false;
1014
1015   for (MachineInstr &UseMI : MRI->use_nodbg_instructions(Reg)) {
1016     if (UseMI.isCopyLike())
1017       continue;
1018     if (!CurLoop->contains(UseMI.getParent()))
1019       continue;
1020     for (unsigned i = 0, e = UseMI.getNumOperands(); i != e; ++i) {
1021       const MachineOperand &MO = UseMI.getOperand(i);
1022       if (!MO.isReg() || !MO.isUse())
1023         continue;
1024       unsigned MOReg = MO.getReg();
1025       if (MOReg != Reg)
1026         continue;
1027
1028       if (TII->hasHighOperandLatency(InstrItins, MRI, &MI, DefIdx, &UseMI, i))
1029         return true;
1030     }
1031
1032     // Only look at the first in loop use.
1033     break;
1034   }
1035
1036   return false;
1037 }
1038
1039 /// IsCheapInstruction - Return true if the instruction is marked "cheap" or
1040 /// the operand latency between its def and a use is one or less.
1041 bool MachineLICM::IsCheapInstruction(MachineInstr &MI) const {
1042   if (MI.isAsCheapAsAMove() || MI.isCopyLike())
1043     return true;
1044   if (!InstrItins || InstrItins->isEmpty())
1045     return false;
1046
1047   bool isCheap = false;
1048   unsigned NumDefs = MI.getDesc().getNumDefs();
1049   for (unsigned i = 0, e = MI.getNumOperands(); NumDefs && i != e; ++i) {
1050     MachineOperand &DefMO = MI.getOperand(i);
1051     if (!DefMO.isReg() || !DefMO.isDef())
1052       continue;
1053     --NumDefs;
1054     unsigned Reg = DefMO.getReg();
1055     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Reg))
1056       continue;
1057
1058     if (!TII->hasLowDefLatency(InstrItins, &MI, i))
1059       return false;
1060     isCheap = true;
1061   }
1062
1063   return isCheap;
1064 }
1065
1066 /// CanCauseHighRegPressure - Visit BBs from header to current BB, check
1067 /// if hoisting an instruction of the given cost matrix can cause high
1068 /// register pressure.
1069 bool MachineLICM::CanCauseHighRegPressure(DenseMap<unsigned, int> &Cost,
1070                                           bool CheapInstr) {
1071   for (DenseMap<unsigned, int>::iterator CI = Cost.begin(), CE = Cost.end();
1072        CI != CE; ++CI) {
1073     if (CI->second <= 0)
1074       continue;
1075
1076     unsigned RCId = CI->first;
1077     unsigned Limit = RegLimit[RCId];
1078     int Cost = CI->second;
1079
1080     // Don't hoist cheap instructions if they would increase register pressure,
1081     // even if we're under the limit.
1082     if (CheapInstr)
1083       return true;
1084
1085     for (unsigned i = BackTrace.size(); i != 0; --i) {
1086       SmallVectorImpl<unsigned> &RP = BackTrace[i-1];
1087       if (RP[RCId] + Cost >= Limit)
1088         return true;
1089     }
1090   }
1091
1092   return false;
1093 }
1094
1095 /// UpdateBackTraceRegPressure - Traverse the back trace from header to the
1096 /// current block and update their register pressures to reflect the effect
1097 /// of hoisting MI from the current block to the preheader.
1098 void MachineLICM::UpdateBackTraceRegPressure(const MachineInstr *MI) {
1099   if (MI->isImplicitDef())
1100     return;
1101
1102   // First compute the 'cost' of the instruction, i.e. its contribution
1103   // to register pressure.
1104   DenseMap<unsigned, int> Cost;
1105   for (unsigned i = 0, e = MI->getDesc().getNumOperands(); i != e; ++i) {
1106     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
1107     if (!MO.isReg() || MO.isImplicit())
1108       continue;
1109     unsigned Reg = MO.getReg();
1110     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
1111       continue;
1112
1113     unsigned RCId, RCCost;
1114     getRegisterClassIDAndCost(MI, Reg, i, RCId, RCCost);
1115     if (MO.isDef()) {
1116       DenseMap<unsigned, int>::iterator CI = Cost.find(RCId);
1117       if (CI != Cost.end())
1118         CI->second += RCCost;
1119       else
1120         Cost.insert(std::make_pair(RCId, RCCost));
1121     } else if (isOperandKill(MO, MRI)) {
1122       DenseMap<unsigned, int>::iterator CI = Cost.find(RCId);
1123       if (CI != Cost.end())
1124         CI->second -= RCCost;
1125       else
1126         Cost.insert(std::make_pair(RCId, -RCCost));
1127     }
1128   }
1129
1130   // Update register pressure of blocks from loop header to current block.
1131   for (unsigned i = 0, e = BackTrace.size(); i != e; ++i) {
1132     SmallVectorImpl<unsigned> &RP = BackTrace[i];
1133     for (DenseMap<unsigned, int>::iterator CI = Cost.begin(), CE = Cost.end();
1134          CI != CE; ++CI) {
1135       unsigned RCId = CI->first;
1136       RP[RCId] += CI->second;
1137     }
1138   }
1139 }
1140
1141 /// IsProfitableToHoist - Return true if it is potentially profitable to hoist
1142 /// the given loop invariant.
1143 bool MachineLICM::IsProfitableToHoist(MachineInstr &MI) {
1144   if (MI.isImplicitDef())
1145     return true;
1146
1147   // Besides removing computation from the loop, hoisting an instruction has
1148   // these effects:
1149   //
1150   // - The value defined by the instruction becomes live across the entire
1151   //   loop. This increases register pressure in the loop.
1152   //
1153   // - If the value is used by a PHI in the loop, a copy will be required for
1154   //   lowering the PHI after extending the live range.
1155   //
1156   // - When hoisting the last use of a value in the loop, that value no longer
1157   //   needs to be live in the loop. This lowers register pressure in the loop.
1158
1159   bool CheapInstr = IsCheapInstruction(MI);
1160   bool CreatesCopy = HasLoopPHIUse(&MI);
1161
1162   // Don't hoist a cheap instruction if it would create a copy in the loop.
1163   if (CheapInstr && CreatesCopy) {
1164     DEBUG(dbgs() << "Won't hoist cheap instr with loop PHI use: " << MI);
1165     return false;
1166   }
1167
1168   // Rematerializable instructions should always be hoisted since the register
1169   // allocator can just pull them down again when needed.
1170   if (TII->isTriviallyReMaterializable(&MI, AA))
1171     return true;
1172
1173   // Estimate register pressure to determine whether to LICM the instruction.
1174   // In low register pressure situation, we can be more aggressive about
1175   // hoisting. Also, favors hoisting long latency instructions even in
1176   // moderately high pressure situation.
1177   // Cheap instructions will only be hoisted if they don't increase register
1178   // pressure at all.
1179   // FIXME: If there are long latency loop-invariant instructions inside the
1180   // loop at this point, why didn't the optimizer's LICM hoist them?
1181   DenseMap<unsigned, int> Cost;
1182   for (unsigned i = 0, e = MI.getDesc().getNumOperands(); i != e; ++i) {
1183     const MachineOperand &MO = MI.getOperand(i);
1184     if (!MO.isReg() || MO.isImplicit())
1185       continue;
1186     unsigned Reg = MO.getReg();
1187     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
1188       continue;
1189
1190     unsigned RCId, RCCost;
1191     getRegisterClassIDAndCost(&MI, Reg, i, RCId, RCCost);
1192     if (MO.isDef()) {
1193       if (HasHighOperandLatency(MI, i, Reg)) {
1194         DEBUG(dbgs() << "Hoist High Latency: " << MI);
1195         ++NumHighLatency;
1196         return true;
1197       }
1198       Cost[RCId] += RCCost;
1199     } else if (isOperandKill(MO, MRI)) {
1200       // Is a virtual register use is a kill, hoisting it out of the loop
1201       // may actually reduce register pressure or be register pressure
1202       // neutral.
1203       Cost[RCId] -= RCCost;
1204     }
1205   }
1206
1207   // Visit BBs from header to current BB, if hoisting this doesn't cause
1208   // high register pressure, then it's safe to proceed.
1209   if (!CanCauseHighRegPressure(Cost, CheapInstr)) {
1210     DEBUG(dbgs() << "Hoist non-reg-pressure: " << MI);
1211     ++NumLowRP;
1212     return true;
1213   }
1214
1215   // Don't risk increasing register pressure if it would create copies.
1216   if (CreatesCopy) {
1217     DEBUG(dbgs() << "Won't hoist instr with loop PHI use: " << MI);
1218     return false;
1219   }
1220
1221   // Do not "speculate" in high register pressure situation. If an
1222   // instruction is not guaranteed to be executed in the loop, it's best to be
1223   // conservative.
1224   if (AvoidSpeculation &&
1225       (!IsGuaranteedToExecute(MI.getParent()) && !MayCSE(&MI))) {
1226     DEBUG(dbgs() << "Won't speculate: " << MI);
1227     return false;
1228   }
1229
1230   // High register pressure situation, only hoist if the instruction is going
1231   // to be remat'ed.
1232   if (!TII->isTriviallyReMaterializable(&MI, AA) &&
1233       !MI.isInvariantLoad(AA)) {
1234     DEBUG(dbgs() << "Can't remat / high reg-pressure: " << MI);
1235     return false;
1236   }
1237
1238   return true;
1239 }
1240
1241 MachineInstr *MachineLICM::ExtractHoistableLoad(MachineInstr *MI) {
1242   // Don't unfold simple loads.
1243   if (MI->canFoldAsLoad())
1244     return 0;
1245
1246   // If not, we may be able to unfold a load and hoist that.
1247   // First test whether the instruction is loading from an amenable
1248   // memory location.
1249   if (!MI->isInvariantLoad(AA))
1250     return 0;
1251
1252   // Next determine the register class for a temporary register.
1253   unsigned LoadRegIndex;
1254   unsigned NewOpc =
1255     TII->getOpcodeAfterMemoryUnfold(MI->getOpcode(),
1256                                     /*UnfoldLoad=*/true,
1257                                     /*UnfoldStore=*/false,
1258                                     &LoadRegIndex);
1259   if (NewOpc == 0) return 0;
1260   const MCInstrDesc &MID = TII->get(NewOpc);
1261   if (MID.getNumDefs() != 1) return 0;
1262   MachineFunction &MF = *MI->getParent()->getParent();
1263   const TargetRegisterClass *RC = TII->getRegClass(MID, LoadRegIndex, TRI, MF);
1264   // Ok, we're unfolding. Create a temporary register and do the unfold.
1265   unsigned Reg = MRI->createVirtualRegister(RC);
1266
1267   SmallVector<MachineInstr *, 2> NewMIs;
1268   bool Success =
1269     TII->unfoldMemoryOperand(MF, MI, Reg,
1270                              /*UnfoldLoad=*/true, /*UnfoldStore=*/false,
1271                              NewMIs);
1272   (void)Success;
1273   assert(Success &&
1274          "unfoldMemoryOperand failed when getOpcodeAfterMemoryUnfold "
1275          "succeeded!");
1276   assert(NewMIs.size() == 2 &&
1277          "Unfolded a load into multiple instructions!");
1278   MachineBasicBlock *MBB = MI->getParent();
1279   MachineBasicBlock::iterator Pos = MI;
1280   MBB->insert(Pos, NewMIs[0]);
1281   MBB->insert(Pos, NewMIs[1]);
1282   // If unfolding produced a load that wasn't loop-invariant or profitable to
1283   // hoist, discard the new instructions and bail.
1284   if (!IsLoopInvariantInst(*NewMIs[0]) || !IsProfitableToHoist(*NewMIs[0])) {
1285     NewMIs[0]->eraseFromParent();
1286     NewMIs[1]->eraseFromParent();
1287     return 0;
1288   }
1289
1290   // Update register pressure for the unfolded instruction.
1291   UpdateRegPressure(NewMIs[1]);
1292
1293   // Otherwise we successfully unfolded a load that we can hoist.
1294   MI->eraseFromParent();
1295   return NewMIs[0];
1296 }
1297
1298 void MachineLICM::InitCSEMap(MachineBasicBlock *BB) {
1299   for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(),E = BB->end(); I != E; ++I) {
1300     const MachineInstr *MI = &*I;
1301     unsigned Opcode = MI->getOpcode();
1302     DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> >::iterator
1303       CI = CSEMap.find(Opcode);
1304     if (CI != CSEMap.end())
1305       CI->second.push_back(MI);
1306     else {
1307       std::vector<const MachineInstr*> CSEMIs;
1308       CSEMIs.push_back(MI);
1309       CSEMap.insert(std::make_pair(Opcode, CSEMIs));
1310     }
1311   }
1312 }
1313
1314 const MachineInstr*
1315 MachineLICM::LookForDuplicate(const MachineInstr *MI,
1316                               std::vector<const MachineInstr*> &PrevMIs) {
1317   for (unsigned i = 0, e = PrevMIs.size(); i != e; ++i) {
1318     const MachineInstr *PrevMI = PrevMIs[i];
1319     if (TII->produceSameValue(MI, PrevMI, (PreRegAlloc ? MRI : 0)))
1320       return PrevMI;
1321   }
1322   return 0;
1323 }
1324
1325 bool MachineLICM::EliminateCSE(MachineInstr *MI,
1326           DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> >::iterator &CI) {
1327   // Do not CSE implicit_def so ProcessImplicitDefs can properly propagate
1328   // the undef property onto uses.
1329   if (CI == CSEMap.end() || MI->isImplicitDef())
1330     return false;
1331
1332   if (const MachineInstr *Dup = LookForDuplicate(MI, CI->second)) {
1333     DEBUG(dbgs() << "CSEing " << *MI << " with " << *Dup);
1334
1335     // Replace virtual registers defined by MI by their counterparts defined
1336     // by Dup.
1337     SmallVector<unsigned, 2> Defs;
1338     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1339       const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
1340
1341       // Physical registers may not differ here.
1342       assert((!MO.isReg() || MO.getReg() == 0 ||
1343               !TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg()) ||
1344               MO.getReg() == Dup->getOperand(i).getReg()) &&
1345              "Instructions with different phys regs are not identical!");
1346
1347       if (MO.isReg() && MO.isDef() &&
1348           !TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg()))
1349         Defs.push_back(i);
1350     }
1351
1352     SmallVector<const TargetRegisterClass*, 2> OrigRCs;
1353     for (unsigned i = 0, e = Defs.size(); i != e; ++i) {
1354       unsigned Idx = Defs[i];
1355       unsigned Reg = MI->getOperand(Idx).getReg();
1356       unsigned DupReg = Dup->getOperand(Idx).getReg();
1357       OrigRCs.push_back(MRI->getRegClass(DupReg));
1358
1359       if (!MRI->constrainRegClass(DupReg, MRI->getRegClass(Reg))) {
1360         // Restore old RCs if more than one defs.
1361         for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
1362           MRI->setRegClass(Dup->getOperand(Defs[j]).getReg(), OrigRCs[j]);
1363         return false;
1364       }
1365     }
1366
1367     for (unsigned i = 0, e = Defs.size(); i != e; ++i) {
1368       unsigned Idx = Defs[i];
1369       unsigned Reg = MI->getOperand(Idx).getReg();
1370       unsigned DupReg = Dup->getOperand(Idx).getReg();
1371       MRI->replaceRegWith(Reg, DupReg);
1372       MRI->clearKillFlags(DupReg);
1373     }
1374
1375     MI->eraseFromParent();
1376     ++NumCSEed;
1377     return true;
1378   }
1379   return false;
1380 }
1381
1382 /// MayCSE - Return true if the given instruction will be CSE'd if it's
1383 /// hoisted out of the loop.
1384 bool MachineLICM::MayCSE(MachineInstr *MI) {
1385   unsigned Opcode = MI->getOpcode();
1386   DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> >::iterator
1387     CI = CSEMap.find(Opcode);
1388   // Do not CSE implicit_def so ProcessImplicitDefs can properly propagate
1389   // the undef property onto uses.
1390   if (CI == CSEMap.end() || MI->isImplicitDef())
1391     return false;
1392
1393   return LookForDuplicate(MI, CI->second) != 0;
1394 }
1395
1396 /// Hoist - When an instruction is found to use only loop invariant operands
1397 /// that are safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
1398 ///
1399 bool MachineLICM::Hoist(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *Preheader) {
1400   // First check whether we should hoist this instruction.
1401   if (!IsLoopInvariantInst(*MI) || !IsProfitableToHoist(*MI)) {
1402     // If not, try unfolding a hoistable load.
1403     MI = ExtractHoistableLoad(MI);
1404     if (!MI) return false;
1405   }
1406
1407   // Now move the instructions to the predecessor, inserting it before any
1408   // terminator instructions.
1409   DEBUG({
1410       dbgs() << "Hoisting " << *MI;
1411       if (Preheader->getBasicBlock())
1412         dbgs() << " to MachineBasicBlock "
1413                << Preheader->getName();
1414       if (MI->getParent()->getBasicBlock())
1415         dbgs() << " from MachineBasicBlock "
1416                << MI->getParent()->getName();
1417       dbgs() << "\n";
1418     });
1419
1420   // If this is the first instruction being hoisted to the preheader,
1421   // initialize the CSE map with potential common expressions.
1422   if (FirstInLoop) {
1423     InitCSEMap(Preheader);
1424     FirstInLoop = false;
1425   }
1426
1427   // Look for opportunity to CSE the hoisted instruction.
1428   unsigned Opcode = MI->getOpcode();
1429   DenseMap<unsigned, std::vector<const MachineInstr*> >::iterator
1430     CI = CSEMap.find(Opcode);
1431   if (!EliminateCSE(MI, CI)) {
1432     // Otherwise, splice the instruction to the preheader.
1433     Preheader->splice(Preheader->getFirstTerminator(),MI->getParent(),MI);
1434
1435     // Update register pressure for BBs from header to this block.
1436     UpdateBackTraceRegPressure(MI);
1437
1438     // Clear the kill flags of any register this instruction defines,
1439     // since they may need to be live throughout the entire loop
1440     // rather than just live for part of it.
1441     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1442       MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
1443       if (MO.isReg() && MO.isDef() && !MO.isDead())
1444         MRI->clearKillFlags(MO.getReg());
1445     }
1446
1447     // Add to the CSE map.
1448     if (CI != CSEMap.end())
1449       CI->second.push_back(MI);
1450     else {
1451       std::vector<const MachineInstr*> CSEMIs;
1452       CSEMIs.push_back(MI);
1453       CSEMap.insert(std::make_pair(Opcode, CSEMIs));
1454     }
1455   }
1456
1457   ++NumHoisted;
1458   Changed = true;
1459
1460   return true;
1461 }
1462
1463 MachineBasicBlock *MachineLICM::getCurPreheader() {
1464   // Determine the block to which to hoist instructions. If we can't find a
1465   // suitable loop predecessor, we can't do any hoisting.
1466
1467   // If we've tried to get a preheader and failed, don't try again.
1468   if (CurPreheader == reinterpret_cast<MachineBasicBlock *>(-1))
1469     return 0;
1470
1471   if (!CurPreheader) {
1472     CurPreheader = CurLoop->getLoopPreheader();
1473     if (!CurPreheader) {
1474       MachineBasicBlock *Pred = CurLoop->getLoopPredecessor();
1475       if (!Pred) {
1476         CurPreheader = reinterpret_cast<MachineBasicBlock *>(-1);
1477         return 0;
1478       }
1479
1480       CurPreheader = Pred->SplitCriticalEdge(CurLoop->getHeader(), this);
1481       if (!CurPreheader) {
1482         CurPreheader = reinterpret_cast<MachineBasicBlock *>(-1);
1483         return 0;
1484       }
1485     }
1486   }
1487   return CurPreheader;
1488 }