7c01a8672feac6dd9cfa3781b576984e44769bb6
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / SampleProfile.cpp
1 //===- SampleProfile.cpp - Incorporate sample profiles into the IR --------===//
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 the SampleProfileLoader transformation. This pass
11 // reads a profile file generated by a sampling profiler (e.g. Linux Perf -
12 // http://perf.wiki.kernel.org/) and generates IR metadata to reflect the
13 // profile information in the given profile.
14 //
15 // This pass generates branch weight annotations on the IR:
16 //
17 // - prof: Represents branch weights. This annotation is added to branches
18 //      to indicate the weights of each edge coming out of the branch.
19 //      The weight of each edge is the weight of the target block for
20 //      that edge. The weight of a block B is computed as the maximum
21 //      number of samples found in B.
22 //
23 //===----------------------------------------------------------------------===//
24
25 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
26 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
27 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
28 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
29 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
30 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
31 #include "llvm/IR/Constants.h"
32 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
33 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
34 #include "llvm/IR/Dominators.h"
35 #include "llvm/IR/Function.h"
36 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
37 #include "llvm/IR/Instructions.h"
38 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
39 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
40 #include "llvm/IR/Metadata.h"
41 #include "llvm/IR/Module.h"
42 #include "llvm/Pass.h"
43 #include "llvm/ProfileData/SampleProfReader.h"
44 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
45 #include "llvm/Support/Debug.h"
46 #include "llvm/Support/ErrorOr.h"
47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
48 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
50 #include <cctype>
51
52 using namespace llvm;
53 using namespace sampleprof;
54
55 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
56
57 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
58 // mainly used for debugging.
59 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
60     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
61     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
62 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
63     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
64     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
65              "sample block/edge weights through the CFG."));
66 static cl::opt<unsigned> SampleProfileCoverage(
67     "sample-profile-check-coverage", cl::init(0), cl::value_desc("N"),
68     cl::desc("Emit a warning if less than N% of samples in the input profile "
69              "are matched to the IR."));
70
71 namespace {
72 typedef DenseMap<const BasicBlock *, uint64_t> BlockWeightMap;
73 typedef DenseMap<const BasicBlock *, const BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
74 typedef std::pair<const BasicBlock *, const BasicBlock *> Edge;
75 typedef DenseMap<Edge, uint64_t> EdgeWeightMap;
76 typedef DenseMap<const BasicBlock *, SmallVector<const BasicBlock *, 8>>
77     BlockEdgeMap;
78
79 /// \brief Sample profile pass.
80 ///
81 /// This pass reads profile data from the file specified by
82 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
83 /// profile information found in that file.
84 class SampleProfileLoader : public ModulePass {
85 public:
86   // Class identification, replacement for typeinfo
87   static char ID;
88
89   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
90       : ModulePass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr), Reader(),
91         Samples(nullptr), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
92     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
93   }
94
95   bool doInitialization(Module &M) override;
96
97   void dump() { Reader->dump(); }
98
99   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
100
101   bool runOnModule(Module &M) override;
102
103   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
104     AU.setPreservesCFG();
105   }
106
107 protected:
108   bool runOnFunction(Function &F);
109   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
110   bool emitAnnotations(Function &F);
111   ErrorOr<uint64_t> getInstWeight(const Instruction &I) const;
112   ErrorOr<uint64_t> getBlockWeight(const BasicBlock *BB) const;
113   const FunctionSamples *findCalleeFunctionSamples(const CallInst &I) const;
114   const FunctionSamples *findFunctionSamples(const Instruction &I) const;
115   bool inlineHotFunctions(Function &F);
116   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
117   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, const BasicBlock *BB) const;
118   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, const BasicBlock *BB);
119   bool computeBlockWeights(Function &F);
120   void findEquivalenceClasses(Function &F);
121   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
122                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
123                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
124   void propagateWeights(Function &F);
125   uint64_t visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
126   void buildEdges(Function &F);
127   bool propagateThroughEdges(Function &F);
128   void computeDominanceAndLoopInfo(Function &F);
129   unsigned getOffset(unsigned L, unsigned H) const;
130   void clearFunctionData();
131
132   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
133   ///
134   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
135   /// of all the instruction weights in that block.
136   BlockWeightMap BlockWeights;
137
138   /// \brief Map edges to their computed weights.
139   ///
140   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
141   /// SampleProfile::propagateWeights.
142   EdgeWeightMap EdgeWeights;
143
144   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
145   SmallPtrSet<const BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
146
147   /// \brief Set of visited edges during propagation.
148   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
149
150   /// \brief Equivalence classes for block weights.
151   ///
152   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
153   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
154   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
155   /// the same number of times.
156   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
157
158   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
159   std::unique_ptr<DominatorTree> DT;
160   std::unique_ptr<DominatorTreeBase<BasicBlock>> PDT;
161   std::unique_ptr<LoopInfo> LI;
162
163   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
164   BlockEdgeMap Predecessors;
165
166   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
167   BlockEdgeMap Successors;
168
169   /// \brief Profile reader object.
170   std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
171
172   /// \brief Samples collected for the body of this function.
173   FunctionSamples *Samples;
174
175   /// \brief Name of the profile file to load.
176   StringRef Filename;
177
178   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
179   bool ProfileIsValid;
180 };
181
182 class SampleCoverageTracker {
183 public:
184   SampleCoverageTracker() : SampleCoverage() {}
185
186   bool markSamplesUsed(const FunctionSamples *Samples, uint32_t LineOffset,
187                        uint32_t Discriminator);
188   unsigned computeCoverage(unsigned Used, unsigned Total) const;
189   unsigned countUsedSamples(const FunctionSamples *Samples) const;
190   unsigned countBodySamples(const FunctionSamples *Samples) const;
191
192 private:
193   typedef DenseMap<LineLocation, unsigned> BodySampleCoverageMap;
194   typedef DenseMap<const FunctionSamples *, BodySampleCoverageMap>
195       FunctionSamplesCoverageMap;
196
197   /// Coverage map for sampling records.
198   ///
199   /// This map keeps a record of sampling records that have been matched to
200   /// an IR instruction. This is used to detect some form of staleness in
201   /// profiles (see flag -sample-profile-check-coverage).
202   ///
203   /// Each entry in the map corresponds to a FunctionSamples instance.  This is
204   /// another map that counts how many times the sample record at the
205   /// given location has been used.
206   FunctionSamplesCoverageMap SampleCoverage;
207 };
208
209 SampleCoverageTracker CoverageTracker;
210 }
211
212 /// Mark as used the sample record for the given function samples at
213 /// (LineOffset, Discriminator).
214 ///
215 /// \returns true if this is the first time we mark the given record.
216 bool SampleCoverageTracker::markSamplesUsed(const FunctionSamples *Samples,
217                                             uint32_t LineOffset,
218                                             uint32_t Discriminator) {
219   LineLocation Loc(LineOffset, Discriminator);
220   unsigned &Count = SampleCoverage[Samples][Loc];
221   return ++Count == 1;
222 }
223
224 /// Return the number of sample records that were applied from this profile.
225 unsigned
226 SampleCoverageTracker::countUsedSamples(const FunctionSamples *Samples) const {
227   auto I = SampleCoverage.find(Samples);
228   unsigned Count = (I != SampleCoverage.end()) ? I->second.size() : 0;
229   for (const auto &I : Samples->getCallsiteSamples())
230     Count += countUsedSamples(&I.second);
231   return Count;
232 }
233
234 /// Return the number of sample records in the body of this profile.
235 ///
236 /// The count includes all the samples in inlined callees.
237 unsigned
238 SampleCoverageTracker::countBodySamples(const FunctionSamples *Samples) const {
239   unsigned Count = Samples->getBodySamples().size();
240   for (const auto &I : Samples->getCallsiteSamples())
241     Count += countBodySamples(&I.second);
242   return Count;
243 }
244
245 /// Return the fraction of sample records used in this profile.
246 ///
247 /// The returned value is an unsigned integer in the range 0-100 indicating
248 /// the percentage of sample records that were used while applying this
249 /// profile to the associated function.
250 unsigned SampleCoverageTracker::computeCoverage(unsigned Used,
251                                                 unsigned Total) const {
252   assert(Used <= Total &&
253          "number of used records cannot exceed the total number of records");
254   return Total > 0 ? Used * 100 / Total : 100;
255 }
256
257 /// Clear all the per-function data used to load samples and propagate weights.
258 void SampleProfileLoader::clearFunctionData() {
259   BlockWeights.clear();
260   EdgeWeights.clear();
261   VisitedBlocks.clear();
262   VisitedEdges.clear();
263   EquivalenceClass.clear();
264   DT = nullptr;
265   PDT = nullptr;
266   LI = nullptr;
267   Predecessors.clear();
268   Successors.clear();
269 }
270
271 /// \brief Returns the offset of lineno \p L to head_lineno \p H
272 ///
273 /// \param L  Lineno
274 /// \param H  Header lineno of the function
275 ///
276 /// \returns offset to the header lineno. 16 bits are used to represent offset.
277 /// We assume that a single function will not exceed 65535 LOC.
278 unsigned SampleProfileLoader::getOffset(unsigned L, unsigned H) const {
279   return (L - H) & 0xffff;
280 }
281
282 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
283 ///
284 /// \param OS  Stream to emit the output to.
285 /// \param E  Edge to print.
286 void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
287   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
288      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
289 }
290
291 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
292 ///
293 /// \param OS  Stream to emit the output to.
294 /// \param BB  Block to print.
295 void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
296                                                 const BasicBlock *BB) {
297   const BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
298   OS << "equivalence[" << BB->getName()
299      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
300 }
301
302 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
303 ///
304 /// \param OS  Stream to emit the output to.
305 /// \param BB  Block to print.
306 void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS,
307                                            const BasicBlock *BB) const {
308   const auto &I = BlockWeights.find(BB);
309   uint64_t W = (I == BlockWeights.end() ? 0 : I->second);
310   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << W << "\n";
311 }
312
313 /// \brief Get the weight for an instruction.
314 ///
315 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
316 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
317 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
318 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
319 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
320 ///
321 /// \param Inst Instruction to query.
322 ///
323 /// \returns the weight of \p Inst.
324 ErrorOr<uint64_t>
325 SampleProfileLoader::getInstWeight(const Instruction &Inst) const {
326   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
327   if (!DLoc)
328     return std::error_code();
329
330   const FunctionSamples *FS = findFunctionSamples(Inst);
331   if (!FS)
332     return std::error_code();
333
334   const DILocation *DIL = DLoc;
335   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
336   unsigned HeaderLineno = DIL->getScope()->getSubprogram()->getLine();
337
338   uint32_t LineOffset = getOffset(Lineno, HeaderLineno);
339   uint32_t Discriminator = DIL->getDiscriminator();
340   ErrorOr<uint64_t> R = FS->findSamplesAt(LineOffset, Discriminator);
341   if (R) {
342     bool FirstMark =
343         CoverageTracker.markSamplesUsed(FS, LineOffset, Discriminator);
344     if (FirstMark) {
345       const Function *F = Inst.getParent()->getParent();
346       LLVMContext &Ctx = F->getContext();
347       emitOptimizationRemark(Ctx, DEBUG_TYPE, *F, DLoc,
348                              Twine("Applied ") + Twine(*R) +
349                                  " samples from profile");
350     }
351     DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << DIL->getDiscriminator() << ":"
352                  << Inst << " (line offset: " << Lineno - HeaderLineno << "."
353                  << DIL->getDiscriminator() << " - weight: " << R.get()
354                  << ")\n");
355   }
356   return R;
357 }
358
359 /// \brief Compute the weight of a basic block.
360 ///
361 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
362 /// instructions in BB.
363 ///
364 /// \param BB The basic block to query.
365 ///
366 /// \returns the weight for \p BB.
367 ErrorOr<uint64_t>
368 SampleProfileLoader::getBlockWeight(const BasicBlock *BB) const {
369   bool Found = false;
370   uint64_t Weight = 0;
371   for (auto &I : BB->getInstList()) {
372     const ErrorOr<uint64_t> &R = getInstWeight(I);
373     if (R && R.get() >= Weight) {
374       Weight = R.get();
375       Found = true;
376     }
377   }
378   if (Found)
379     return Weight;
380   else
381     return std::error_code();
382 }
383
384 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
385 ///
386 /// This populates the BlockWeights map by computing
387 /// the weights of every basic block in the CFG.
388 ///
389 /// \param F The function to query.
390 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
391   bool Changed = false;
392   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
393   for (const auto &BB : F) {
394     ErrorOr<uint64_t> Weight = getBlockWeight(&BB);
395     if (Weight) {
396       BlockWeights[&BB] = Weight.get();
397       VisitedBlocks.insert(&BB);
398       Changed = true;
399     }
400     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
401   }
402
403   return Changed;
404 }
405
406 /// \brief Get the FunctionSamples for a call instruction.
407 ///
408 /// The FunctionSamples of a call instruction \p Inst is the inlined
409 /// instance in which that call instruction is calling to. It contains
410 /// all samples that resides in the inlined instance. We first find the
411 /// inlined instance in which the call instruction is from, then we
412 /// traverse its children to find the callsite with the matching
413 /// location and callee function name.
414 ///
415 /// \param Inst Call instruction to query.
416 ///
417 /// \returns The FunctionSamples pointer to the inlined instance.
418 const FunctionSamples *
419 SampleProfileLoader::findCalleeFunctionSamples(const CallInst &Inst) const {
420   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
421   if (!DIL) {
422     return nullptr;
423   }
424   DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
425   if (!SP)
426     return nullptr;
427
428   Function *CalleeFunc = Inst.getCalledFunction();
429   if (!CalleeFunc) {
430     return nullptr;
431   }
432
433   StringRef CalleeName = CalleeFunc->getName();
434   const FunctionSamples *FS = findFunctionSamples(Inst);
435   if (FS == nullptr)
436     return nullptr;
437
438   return FS->findFunctionSamplesAt(
439       CallsiteLocation(getOffset(DIL->getLine(), SP->getLine()),
440                        DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
441 }
442
443 /// \brief Get the FunctionSamples for an instruction.
444 ///
445 /// The FunctionSamples of an instruction \p Inst is the inlined instance
446 /// in which that instruction is coming from. We traverse the inline stack
447 /// of that instruction, and match it with the tree nodes in the profile.
448 ///
449 /// \param Inst Instruction to query.
450 ///
451 /// \returns the FunctionSamples pointer to the inlined instance.
452 const FunctionSamples *
453 SampleProfileLoader::findFunctionSamples(const Instruction &Inst) const {
454   SmallVector<CallsiteLocation, 10> S;
455   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
456   if (!DIL) {
457     return Samples;
458   }
459   StringRef CalleeName;
460   for (const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc(); DIL;
461        DIL = DIL->getInlinedAt()) {
462     DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
463     if (!SP)
464       return nullptr;
465     if (!CalleeName.empty()) {
466       S.push_back(CallsiteLocation(getOffset(DIL->getLine(), SP->getLine()),
467                                    DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
468     }
469     CalleeName = SP->getLinkageName();
470   }
471   if (S.size() == 0)
472     return Samples;
473   const FunctionSamples *FS = Samples;
474   for (int i = S.size() - 1; i >= 0 && FS != nullptr; i--) {
475     FS = FS->findFunctionSamplesAt(S[i]);
476   }
477   return FS;
478 }
479
480 /// \brief Iteratively inline hot callsites of a function.
481 ///
482 /// Iteratively traverse all callsites of the function \p F, and find if
483 /// the corresponding inlined instance exists and is hot in profile. If
484 /// it is hot enough, inline the callsites and adds new callsites of the
485 /// callee into the caller.
486 ///
487 /// TODO: investigate the possibility of not invoking InlineFunction directly.
488 ///
489 /// \param F function to perform iterative inlining.
490 ///
491 /// \returns True if there is any inline happened.
492 bool SampleProfileLoader::inlineHotFunctions(Function &F) {
493   bool Changed = false;
494   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
495   while (true) {
496     bool LocalChanged = false;
497     SmallVector<CallInst *, 10> CIS;
498     for (auto &BB : F) {
499       for (auto &I : BB.getInstList()) {
500         CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
501         if (CI) {
502           const FunctionSamples *FS = findCalleeFunctionSamples(*CI);
503           if (FS && FS->getTotalSamples() > 0) {
504             CIS.push_back(CI);
505           }
506         }
507       }
508     }
509     for (auto CI : CIS) {
510       InlineFunctionInfo IFI;
511       Function *CalledFunction = CI->getCalledFunction();
512       DebugLoc DLoc = CI->getDebugLoc();
513       uint64_t NumSamples = findCalleeFunctionSamples(*CI)->getTotalSamples();
514       if (InlineFunction(CI, IFI)) {
515         LocalChanged = true;
516         emitOptimizationRemark(Ctx, DEBUG_TYPE, F, DLoc,
517                                Twine("inlined hot callee '") +
518                                    CalledFunction->getName() + "' with " +
519                                    Twine(NumSamples) + " samples into '" +
520                                    F.getName() + "'");
521       }
522     }
523     if (LocalChanged) {
524       Changed = true;
525     } else {
526       break;
527     }
528   }
529   return Changed;
530 }
531
532 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
533 ///
534 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
535 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the
536 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
537 ///
538 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
539 /// the following holds:
540 ///
541 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
542 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
543 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
544 ///
545 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
546 ///
547 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
548 /// equivalence class to \p BB1.
549 ///
550 /// \param BB1  Block to check.
551 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
552 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
553 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
554 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
555 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
556     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
557     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
558   const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB1];
559   uint64_t Weight = BlockWeights[EC];
560   for (const auto *BB2 : Descendants) {
561     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
562     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
563     if (BB1 != BB2 && IsDomParent && IsInSameLoop) {
564       EquivalenceClass[BB2] = EC;
565
566       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
567       // as BB1.
568       //
569       // Note that we don't worry about the opposite situation here
570       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
571       // during the propagation phase. Right now, we just want to
572       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
573       // members of its equivalence set.
574       Weight = std::max(Weight, BlockWeights[BB2]);
575     }
576   }
577   BlockWeights[EC] = Weight;
578 }
579
580 /// \brief Find equivalence classes.
581 ///
582 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
583 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
584 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
585 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
586 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
587 ///
588 /// \param F The function to query.
589 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
590   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
591   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
592   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
593   for (auto &BB : F) {
594     BasicBlock *BB1 = &BB;
595
596     // Compute BB1's equivalence class once.
597     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
598       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
599       continue;
600     }
601
602     // By default, blocks are in their own equivalence class.
603     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
604
605     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
606     // every basic block BB2 such that:
607     //
608     // 1- BB1 dominates BB2.
609     // 2- BB2 post-dominates BB1.
610     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
611     //
612     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
613     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
614     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
615     DominatedBBs.clear();
616     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
617     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT.get());
618
619     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
620   }
621
622   // Assign weights to equivalence classes.
623   //
624   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
625   // the same number of times. Since we know that the head block in
626   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
627   // to all the blocks in that equivalence class.
628   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
629   for (auto &BI : F) {
630     const BasicBlock *BB = &BI;
631     const BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
632     if (BB != EquivBB)
633       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
634     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
635   }
636 }
637
638 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
639 ///
640 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
641 /// and increment the count of unknown edges.
642 ///
643 /// \param E  Edge to visit.
644 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
645 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
646 ///
647 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
648 uint64_t SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
649                                         Edge *UnknownEdge) {
650   if (!VisitedEdges.count(E)) {
651     (*NumUnknownEdges)++;
652     *UnknownEdge = E;
653     return 0;
654   }
655
656   return EdgeWeights[E];
657 }
658
659 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
660 ///
661 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
662 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
663 ///
664 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
665 /// count of the basic block, if needed.
666 ///
667 /// \param F  Function to process.
668 ///
669 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
670 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
671   bool Changed = false;
672   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
673   for (const auto &BI : F) {
674     const BasicBlock *BB = &BI;
675     const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB];
676
677     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
678     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
679     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
680     // only case we are interested in handling is when only a single
681     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
682     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
683       uint64_t TotalWeight = 0;
684       unsigned NumUnknownEdges = 0;
685       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
686
687       if (i == 0) {
688         // First, visit all predecessor edges.
689         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
690           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
691           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
692           if (E.first == E.second)
693             SelfReferentialEdge = E;
694         }
695       } else {
696         // On the second round, visit all successor edges.
697         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
698           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
699           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
700         }
701       }
702
703       // After visiting all the edges, there are three cases that we
704       // can handle immediately:
705       //
706       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
707       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
708       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
709       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
710       //   we mark it visited.
711       //
712       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
713       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
714       //   subtracting the total block weight from all the known
715       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
716       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
717       //
718       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
719       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
720       //   We add up all the other known edges and set the weight on
721       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
722       //
723       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
724       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
725       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
726       if (NumUnknownEdges <= 1) {
727         uint64_t &BBWeight = BlockWeights[EC];
728         if (NumUnknownEdges == 0) {
729           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
730           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
731           // of all edge weights.
732           if (TotalWeight > BBWeight) {
733             BBWeight = TotalWeight;
734             Changed = true;
735             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
736                          << " known. Set weight for block: ";
737                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
738           }
739           if (VisitedBlocks.insert(EC).second)
740             Changed = true;
741         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(EC)) {
742           // If there is a single unknown edge and the block has been
743           // visited, then we can compute E's weight.
744           if (BBWeight >= TotalWeight)
745             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
746           else
747             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
748           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
749           Changed = true;
750           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
751                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
752         }
753       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(EC)) {
754         uint64_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
755         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
756         if (BBWeight >= TotalWeight)
757           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
758         else
759           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
760         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
761         Changed = true;
762         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
763               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
764       }
765     }
766   }
767
768   return Changed;
769 }
770
771 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
772 ///
773 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
774 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
775 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
776   for (auto &BI : F) {
777     BasicBlock *B1 = &BI;
778
779     // Add predecessors for B1.
780     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
781     if (!Predecessors[B1].empty())
782       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
783     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
784       BasicBlock *B2 = *PI;
785       if (Visited.insert(B2).second)
786         Predecessors[B1].push_back(B2);
787     }
788
789     // Add successors for B1.
790     Visited.clear();
791     if (!Successors[B1].empty())
792       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
793     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
794       BasicBlock *B2 = *SI;
795       if (Visited.insert(B2).second)
796         Successors[B1].push_back(B2);
797     }
798   }
799 }
800
801 /// \brief Propagate weights into edges
802 ///
803 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
804 ///
805 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
806 ///   of that edge is the weight of the block.
807 ///
808 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
809 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
810 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
811 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
812 ///   we set the unknown edge weight to zero.
813 ///
814 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
815 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
816 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
817 ///   known).
818 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
819   bool Changed = true;
820   unsigned I = 0;
821
822   // Add an entry count to the function using the samples gathered
823   // at the function entry.
824   F.setEntryCount(Samples->getHeadSamples());
825
826   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
827   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
828   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
829   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
830   // of the pass.
831   buildEdges(F);
832
833   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
834   while (Changed && I++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
835     Changed = propagateThroughEdges(F);
836   }
837
838   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
839   // edge weights computed during propagation.
840   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
841   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
842   MDBuilder MDB(Ctx);
843   for (auto &BI : F) {
844     BasicBlock *BB = &BI;
845     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
846     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
847       continue;
848     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
849       continue;
850
851     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
852                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
853     SmallVector<uint32_t, 4> Weights;
854     uint32_t MaxWeight = 0;
855     DebugLoc MaxDestLoc;
856     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
857       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
858       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
859       uint64_t Weight = EdgeWeights[E];
860       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
861       // Use uint32_t saturated arithmetic to adjust the incoming weights,
862       // if needed. Sample counts in profiles are 64-bit unsigned values,
863       // but internally branch weights are expressed as 32-bit values.
864       if (Weight > std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
865         DEBUG(dbgs() << " (saturated due to uint32_t overflow)");
866         Weight = std::numeric_limits<uint32_t>::max();
867       }
868       Weights.push_back(static_cast<uint32_t>(Weight));
869       if (Weight != 0) {
870         if (Weight > MaxWeight) {
871           MaxWeight = Weight;
872           MaxDestLoc = Succ->getFirstNonPHIOrDbgOrLifetime()->getDebugLoc();
873         }
874       }
875     }
876
877     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
878     // In any other case, let the analyzer set weights.
879     if (MaxWeight > 0) {
880       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
881       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
882                       MDB.createBranchWeights(Weights));
883       DebugLoc BranchLoc = TI->getDebugLoc();
884       emitOptimizationRemark(
885           Ctx, DEBUG_TYPE, F, MaxDestLoc,
886           Twine("most popular destination for conditional branches at ") +
887               ((BranchLoc) ? Twine(BranchLoc->getFilename() + ":" +
888                                    Twine(BranchLoc.getLine()) + ":" +
889                                    Twine(BranchLoc.getCol()))
890                            : Twine("<UNKNOWN LOCATION>")));
891     } else {
892       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
893     }
894   }
895 }
896
897 /// \brief Get the line number for the function header.
898 ///
899 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
900 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
901 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
902 /// number is relative to this line.
903 ///
904 /// \param F  Function object to query.
905 ///
906 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
907 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
908 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
909   if (DISubprogram *S = getDISubprogram(&F))
910     return S->getLine();
911
912   // If the start of \p F is missing, emit a diagnostic to inform the user
913   // about the missed opportunity.
914   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
915       "No debug information found in function " + F.getName() +
916           ": Function profile not used",
917       DS_Warning));
918   return 0;
919 }
920
921 void SampleProfileLoader::computeDominanceAndLoopInfo(Function &F) {
922   DT.reset(new DominatorTree);
923   DT->recalculate(F);
924
925   PDT.reset(new DominatorTreeBase<BasicBlock>(true));
926   PDT->recalculate(F);
927
928   LI.reset(new LoopInfo);
929   LI->analyze(*DT);
930 }
931
932 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
933 ///
934 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
935 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
936 ///
937 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
938 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
939 ///    executed instruction.
940 ///
941 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
942 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
943 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
944 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
945 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
946 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
947 ///
948 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
949 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
950 ///    block BB in the CFG:
951 ///
952 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
953 ///      of that edge is the weight of the block.
954 ///
955 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
956 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
957 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
958 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
959 ///      we set the unknown edge weight to zero.
960 ///
961 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
962 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
963 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
964 ///      known).
965 ///
966 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
967 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
968 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
969 ///
970 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
971 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
972 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
973 /// work here.
974 ///
975 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
976 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
977 ///
978 /// \param F The function to query.
979 ///
980 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
981 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
982   bool Changed = false;
983
984   if (getFunctionLoc(F) == 0)
985     return false;
986
987   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
988                << ": " << getFunctionLoc(F) << "\n");
989
990   Changed |= inlineHotFunctions(F);
991
992   // Compute basic block weights.
993   Changed |= computeBlockWeights(F);
994
995   if (Changed) {
996     // Compute dominance and loop info needed for propagation.
997     computeDominanceAndLoopInfo(F);
998
999     // Find equivalence classes.
1000     findEquivalenceClasses(F);
1001
1002     // Propagate weights to all edges.
1003     propagateWeights(F);
1004   }
1005
1006   // If coverage checking was requested, compute it now.
1007   if (SampleProfileCoverage) {
1008     unsigned Used = CoverageTracker.countUsedSamples(Samples);
1009     unsigned Total = CoverageTracker.countBodySamples(Samples);
1010     unsigned Coverage = CoverageTracker.computeCoverage(Used, Total);
1011     if (Coverage < SampleProfileCoverage) {
1012       StringRef Filename = getDISubprogram(&F)->getFilename();
1013       F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
1014           Filename.str().c_str(), getFunctionLoc(F),
1015           Twine(Used) + " of " + Twine(Total) + " available profile records (" +
1016               Twine(Coverage) + "%) were applied",
1017           DS_Warning));
1018     }
1019   }
1020
1021   return Changed;
1022 }
1023
1024 char SampleProfileLoader::ID = 0;
1025 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1026                       "Sample Profile loader", false, false)
1027 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
1028 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1029                     "Sample Profile loader", false, false)
1030
1031 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
1032   auto &Ctx = M.getContext();
1033   auto ReaderOrErr = SampleProfileReader::create(Filename, Ctx);
1034   if (std::error_code EC = ReaderOrErr.getError()) {
1035     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
1036     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
1037     return false;
1038   }
1039   Reader = std::move(ReaderOrErr.get());
1040   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
1041   return true;
1042 }
1043
1044 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1045   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1046 }
1047
1048 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1049   return new SampleProfileLoader(Name);
1050 }
1051
1052 bool SampleProfileLoader::runOnModule(Module &M) {
1053   if (!ProfileIsValid)
1054     return false;
1055
1056   bool retval = false;
1057   for (auto &F : M)
1058     if (!F.isDeclaration()) {
1059       clearFunctionData();
1060       retval |= runOnFunction(F);
1061     }
1062   return retval;
1063 }
1064
1065 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1066   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
1067   if (!Samples->empty())
1068     return emitAnnotations(F);
1069   return false;
1070 }