df8c8a0f7c4ea8bc62a57ebed66e96af2553b6ab
[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(
348           Ctx, DEBUG_TYPE, *F, DLoc,
349           Twine("Applied ") + Twine(*R) + " samples from profile (offset: " +
350               Twine(LineOffset) +
351               ((Discriminator) ? Twine(".") + Twine(Discriminator) : "") + ")");
352     }
353     DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << DIL->getDiscriminator() << ":"
354                  << Inst << " (line offset: " << Lineno - HeaderLineno << "."
355                  << DIL->getDiscriminator() << " - weight: " << R.get()
356                  << ")\n");
357   }
358   return R;
359 }
360
361 /// \brief Compute the weight of a basic block.
362 ///
363 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
364 /// instructions in BB.
365 ///
366 /// \param BB The basic block to query.
367 ///
368 /// \returns the weight for \p BB.
369 ErrorOr<uint64_t>
370 SampleProfileLoader::getBlockWeight(const BasicBlock *BB) const {
371   bool Found = false;
372   uint64_t Weight = 0;
373   for (auto &I : BB->getInstList()) {
374     const ErrorOr<uint64_t> &R = getInstWeight(I);
375     if (R && R.get() >= Weight) {
376       Weight = R.get();
377       Found = true;
378     }
379   }
380   if (Found)
381     return Weight;
382   else
383     return std::error_code();
384 }
385
386 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
387 ///
388 /// This populates the BlockWeights map by computing
389 /// the weights of every basic block in the CFG.
390 ///
391 /// \param F The function to query.
392 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
393   bool Changed = false;
394   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
395   for (const auto &BB : F) {
396     ErrorOr<uint64_t> Weight = getBlockWeight(&BB);
397     if (Weight) {
398       BlockWeights[&BB] = Weight.get();
399       VisitedBlocks.insert(&BB);
400       Changed = true;
401     }
402     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
403   }
404
405   return Changed;
406 }
407
408 /// \brief Get the FunctionSamples for a call instruction.
409 ///
410 /// The FunctionSamples of a call instruction \p Inst is the inlined
411 /// instance in which that call instruction is calling to. It contains
412 /// all samples that resides in the inlined instance. We first find the
413 /// inlined instance in which the call instruction is from, then we
414 /// traverse its children to find the callsite with the matching
415 /// location and callee function name.
416 ///
417 /// \param Inst Call instruction to query.
418 ///
419 /// \returns The FunctionSamples pointer to the inlined instance.
420 const FunctionSamples *
421 SampleProfileLoader::findCalleeFunctionSamples(const CallInst &Inst) const {
422   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
423   if (!DIL) {
424     return nullptr;
425   }
426   DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
427   if (!SP)
428     return nullptr;
429
430   Function *CalleeFunc = Inst.getCalledFunction();
431   if (!CalleeFunc) {
432     return nullptr;
433   }
434
435   StringRef CalleeName = CalleeFunc->getName();
436   const FunctionSamples *FS = findFunctionSamples(Inst);
437   if (FS == nullptr)
438     return nullptr;
439
440   return FS->findFunctionSamplesAt(
441       CallsiteLocation(getOffset(DIL->getLine(), SP->getLine()),
442                        DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
443 }
444
445 /// \brief Get the FunctionSamples for an instruction.
446 ///
447 /// The FunctionSamples of an instruction \p Inst is the inlined instance
448 /// in which that instruction is coming from. We traverse the inline stack
449 /// of that instruction, and match it with the tree nodes in the profile.
450 ///
451 /// \param Inst Instruction to query.
452 ///
453 /// \returns the FunctionSamples pointer to the inlined instance.
454 const FunctionSamples *
455 SampleProfileLoader::findFunctionSamples(const Instruction &Inst) const {
456   SmallVector<CallsiteLocation, 10> S;
457   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
458   if (!DIL) {
459     return Samples;
460   }
461   StringRef CalleeName;
462   for (const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc(); DIL;
463        DIL = DIL->getInlinedAt()) {
464     DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
465     if (!SP)
466       return nullptr;
467     if (!CalleeName.empty()) {
468       S.push_back(CallsiteLocation(getOffset(DIL->getLine(), SP->getLine()),
469                                    DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
470     }
471     CalleeName = SP->getLinkageName();
472   }
473   if (S.size() == 0)
474     return Samples;
475   const FunctionSamples *FS = Samples;
476   for (int i = S.size() - 1; i >= 0 && FS != nullptr; i--) {
477     FS = FS->findFunctionSamplesAt(S[i]);
478   }
479   return FS;
480 }
481
482 /// \brief Iteratively inline hot callsites of a function.
483 ///
484 /// Iteratively traverse all callsites of the function \p F, and find if
485 /// the corresponding inlined instance exists and is hot in profile. If
486 /// it is hot enough, inline the callsites and adds new callsites of the
487 /// callee into the caller.
488 ///
489 /// TODO: investigate the possibility of not invoking InlineFunction directly.
490 ///
491 /// \param F function to perform iterative inlining.
492 ///
493 /// \returns True if there is any inline happened.
494 bool SampleProfileLoader::inlineHotFunctions(Function &F) {
495   bool Changed = false;
496   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
497   while (true) {
498     bool LocalChanged = false;
499     SmallVector<CallInst *, 10> CIS;
500     for (auto &BB : F) {
501       for (auto &I : BB.getInstList()) {
502         CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
503         if (CI) {
504           const FunctionSamples *FS = findCalleeFunctionSamples(*CI);
505           if (FS && FS->getTotalSamples() > 0) {
506             CIS.push_back(CI);
507           }
508         }
509       }
510     }
511     for (auto CI : CIS) {
512       InlineFunctionInfo IFI;
513       Function *CalledFunction = CI->getCalledFunction();
514       DebugLoc DLoc = CI->getDebugLoc();
515       uint64_t NumSamples = findCalleeFunctionSamples(*CI)->getTotalSamples();
516       if (InlineFunction(CI, IFI)) {
517         LocalChanged = true;
518         emitOptimizationRemark(Ctx, DEBUG_TYPE, F, DLoc,
519                                Twine("inlined hot callee '") +
520                                    CalledFunction->getName() + "' with " +
521                                    Twine(NumSamples) + " samples into '" +
522                                    F.getName() + "'");
523       }
524     }
525     if (LocalChanged) {
526       Changed = true;
527     } else {
528       break;
529     }
530   }
531   return Changed;
532 }
533
534 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
535 ///
536 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
537 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the
538 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
539 ///
540 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
541 /// the following holds:
542 ///
543 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
544 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
545 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
546 ///
547 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
548 ///
549 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
550 /// equivalence class to \p BB1.
551 ///
552 /// \param BB1  Block to check.
553 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
554 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
555 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
556 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
557 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
558     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
559     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
560   const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB1];
561   uint64_t Weight = BlockWeights[EC];
562   for (const auto *BB2 : Descendants) {
563     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
564     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
565     if (BB1 != BB2 && IsDomParent && IsInSameLoop) {
566       EquivalenceClass[BB2] = EC;
567
568       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
569       // as BB1.
570       //
571       // Note that we don't worry about the opposite situation here
572       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
573       // during the propagation phase. Right now, we just want to
574       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
575       // members of its equivalence set.
576       Weight = std::max(Weight, BlockWeights[BB2]);
577     }
578   }
579   BlockWeights[EC] = Weight;
580 }
581
582 /// \brief Find equivalence classes.
583 ///
584 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
585 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
586 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
587 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
588 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
589 ///
590 /// \param F The function to query.
591 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
592   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
593   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
594   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
595   for (auto &BB : F) {
596     BasicBlock *BB1 = &BB;
597
598     // Compute BB1's equivalence class once.
599     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
600       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
601       continue;
602     }
603
604     // By default, blocks are in their own equivalence class.
605     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
606
607     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
608     // every basic block BB2 such that:
609     //
610     // 1- BB1 dominates BB2.
611     // 2- BB2 post-dominates BB1.
612     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
613     //
614     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
615     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
616     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
617     DominatedBBs.clear();
618     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
619     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT.get());
620
621     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
622   }
623
624   // Assign weights to equivalence classes.
625   //
626   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
627   // the same number of times. Since we know that the head block in
628   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
629   // to all the blocks in that equivalence class.
630   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
631   for (auto &BI : F) {
632     const BasicBlock *BB = &BI;
633     const BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
634     if (BB != EquivBB)
635       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
636     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
637   }
638 }
639
640 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
641 ///
642 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
643 /// and increment the count of unknown edges.
644 ///
645 /// \param E  Edge to visit.
646 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
647 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
648 ///
649 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
650 uint64_t SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
651                                         Edge *UnknownEdge) {
652   if (!VisitedEdges.count(E)) {
653     (*NumUnknownEdges)++;
654     *UnknownEdge = E;
655     return 0;
656   }
657
658   return EdgeWeights[E];
659 }
660
661 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
662 ///
663 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
664 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
665 ///
666 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
667 /// count of the basic block, if needed.
668 ///
669 /// \param F  Function to process.
670 ///
671 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
672 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
673   bool Changed = false;
674   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
675   for (const auto &BI : F) {
676     const BasicBlock *BB = &BI;
677     const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB];
678
679     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
680     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
681     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
682     // only case we are interested in handling is when only a single
683     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
684     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
685       uint64_t TotalWeight = 0;
686       unsigned NumUnknownEdges = 0;
687       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
688
689       if (i == 0) {
690         // First, visit all predecessor edges.
691         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
692           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
693           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
694           if (E.first == E.second)
695             SelfReferentialEdge = E;
696         }
697       } else {
698         // On the second round, visit all successor edges.
699         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
700           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
701           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
702         }
703       }
704
705       // After visiting all the edges, there are three cases that we
706       // can handle immediately:
707       //
708       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
709       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
710       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
711       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
712       //   we mark it visited.
713       //
714       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
715       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
716       //   subtracting the total block weight from all the known
717       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
718       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
719       //
720       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
721       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
722       //   We add up all the other known edges and set the weight on
723       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
724       //
725       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
726       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
727       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
728       if (NumUnknownEdges <= 1) {
729         uint64_t &BBWeight = BlockWeights[EC];
730         if (NumUnknownEdges == 0) {
731           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
732           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
733           // of all edge weights.
734           if (TotalWeight > BBWeight) {
735             BBWeight = TotalWeight;
736             Changed = true;
737             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
738                          << " known. Set weight for block: ";
739                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
740           }
741           if (VisitedBlocks.insert(EC).second)
742             Changed = true;
743         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(EC)) {
744           // If there is a single unknown edge and the block has been
745           // visited, then we can compute E's weight.
746           if (BBWeight >= TotalWeight)
747             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
748           else
749             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
750           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
751           Changed = true;
752           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
753                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
754         }
755       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(EC)) {
756         uint64_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
757         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
758         if (BBWeight >= TotalWeight)
759           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
760         else
761           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
762         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
763         Changed = true;
764         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
765               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
766       }
767     }
768   }
769
770   return Changed;
771 }
772
773 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
774 ///
775 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
776 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
777 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
778   for (auto &BI : F) {
779     BasicBlock *B1 = &BI;
780
781     // Add predecessors for B1.
782     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
783     if (!Predecessors[B1].empty())
784       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
785     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
786       BasicBlock *B2 = *PI;
787       if (Visited.insert(B2).second)
788         Predecessors[B1].push_back(B2);
789     }
790
791     // Add successors for B1.
792     Visited.clear();
793     if (!Successors[B1].empty())
794       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
795     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
796       BasicBlock *B2 = *SI;
797       if (Visited.insert(B2).second)
798         Successors[B1].push_back(B2);
799     }
800   }
801 }
802
803 /// \brief Propagate weights into edges
804 ///
805 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
806 ///
807 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
808 ///   of that edge is the weight of the block.
809 ///
810 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
811 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
812 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
813 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
814 ///   we set the unknown edge weight to zero.
815 ///
816 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
817 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
818 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
819 ///   known).
820 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
821   bool Changed = true;
822   unsigned I = 0;
823
824   // Add an entry count to the function using the samples gathered
825   // at the function entry.
826   F.setEntryCount(Samples->getHeadSamples());
827
828   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
829   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
830   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
831   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
832   // of the pass.
833   buildEdges(F);
834
835   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
836   while (Changed && I++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
837     Changed = propagateThroughEdges(F);
838   }
839
840   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
841   // edge weights computed during propagation.
842   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
843   LLVMContext &Ctx = F.getContext();
844   MDBuilder MDB(Ctx);
845   for (auto &BI : F) {
846     BasicBlock *BB = &BI;
847     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
848     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
849       continue;
850     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
851       continue;
852
853     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
854                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
855     SmallVector<uint32_t, 4> Weights;
856     uint32_t MaxWeight = 0;
857     DebugLoc MaxDestLoc;
858     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
859       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
860       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
861       uint64_t Weight = EdgeWeights[E];
862       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
863       // Use uint32_t saturated arithmetic to adjust the incoming weights,
864       // if needed. Sample counts in profiles are 64-bit unsigned values,
865       // but internally branch weights are expressed as 32-bit values.
866       if (Weight > std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
867         DEBUG(dbgs() << " (saturated due to uint32_t overflow)");
868         Weight = std::numeric_limits<uint32_t>::max();
869       }
870       Weights.push_back(static_cast<uint32_t>(Weight));
871       if (Weight != 0) {
872         if (Weight > MaxWeight) {
873           MaxWeight = Weight;
874           MaxDestLoc = Succ->getFirstNonPHIOrDbgOrLifetime()->getDebugLoc();
875         }
876       }
877     }
878
879     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
880     // In any other case, let the analyzer set weights.
881     if (MaxWeight > 0) {
882       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
883       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
884                       MDB.createBranchWeights(Weights));
885       DebugLoc BranchLoc = TI->getDebugLoc();
886       emitOptimizationRemark(
887           Ctx, DEBUG_TYPE, F, MaxDestLoc,
888           Twine("most popular destination for conditional branches at ") +
889               ((BranchLoc) ? Twine(BranchLoc->getFilename() + ":" +
890                                    Twine(BranchLoc.getLine()) + ":" +
891                                    Twine(BranchLoc.getCol()))
892                            : Twine("<UNKNOWN LOCATION>")));
893     } else {
894       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
895     }
896   }
897 }
898
899 /// \brief Get the line number for the function header.
900 ///
901 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
902 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
903 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
904 /// number is relative to this line.
905 ///
906 /// \param F  Function object to query.
907 ///
908 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
909 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
910 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
911   if (DISubprogram *S = getDISubprogram(&F))
912     return S->getLine();
913
914   // If the start of \p F is missing, emit a diagnostic to inform the user
915   // about the missed opportunity.
916   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
917       "No debug information found in function " + F.getName() +
918           ": Function profile not used",
919       DS_Warning));
920   return 0;
921 }
922
923 void SampleProfileLoader::computeDominanceAndLoopInfo(Function &F) {
924   DT.reset(new DominatorTree);
925   DT->recalculate(F);
926
927   PDT.reset(new DominatorTreeBase<BasicBlock>(true));
928   PDT->recalculate(F);
929
930   LI.reset(new LoopInfo);
931   LI->analyze(*DT);
932 }
933
934 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
935 ///
936 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
937 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
938 ///
939 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
940 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
941 ///    executed instruction.
942 ///
943 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
944 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
945 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
946 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
947 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
948 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
949 ///
950 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
951 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
952 ///    block BB in the CFG:
953 ///
954 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
955 ///      of that edge is the weight of the block.
956 ///
957 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
958 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
959 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
960 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
961 ///      we set the unknown edge weight to zero.
962 ///
963 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
964 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
965 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
966 ///      known).
967 ///
968 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
969 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
970 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
971 ///
972 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
973 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
974 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
975 /// work here.
976 ///
977 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
978 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
979 ///
980 /// \param F The function to query.
981 ///
982 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
983 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
984   bool Changed = false;
985
986   if (getFunctionLoc(F) == 0)
987     return false;
988
989   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
990                << ": " << getFunctionLoc(F) << "\n");
991
992   Changed |= inlineHotFunctions(F);
993
994   // Compute basic block weights.
995   Changed |= computeBlockWeights(F);
996
997   if (Changed) {
998     // Compute dominance and loop info needed for propagation.
999     computeDominanceAndLoopInfo(F);
1000
1001     // Find equivalence classes.
1002     findEquivalenceClasses(F);
1003
1004     // Propagate weights to all edges.
1005     propagateWeights(F);
1006   }
1007
1008   // If coverage checking was requested, compute it now.
1009   if (SampleProfileCoverage) {
1010     unsigned Used = CoverageTracker.countUsedSamples(Samples);
1011     unsigned Total = CoverageTracker.countBodySamples(Samples);
1012     unsigned Coverage = CoverageTracker.computeCoverage(Used, Total);
1013     if (Coverage < SampleProfileCoverage) {
1014       F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
1015           getDISubprogram(&F)->getFilename(), getFunctionLoc(F),
1016           Twine(Used) + " of " + Twine(Total) + " available profile records (" +
1017               Twine(Coverage) + "%) were applied",
1018           DS_Warning));
1019     }
1020   }
1021
1022   return Changed;
1023 }
1024
1025 char SampleProfileLoader::ID = 0;
1026 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1027                       "Sample Profile loader", false, false)
1028 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
1029 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1030                     "Sample Profile loader", false, false)
1031
1032 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
1033   auto &Ctx = M.getContext();
1034   auto ReaderOrErr = SampleProfileReader::create(Filename, Ctx);
1035   if (std::error_code EC = ReaderOrErr.getError()) {
1036     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
1037     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename, Msg));
1038     return false;
1039   }
1040   Reader = std::move(ReaderOrErr.get());
1041   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
1042   return true;
1043 }
1044
1045 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1046   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1047 }
1048
1049 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1050   return new SampleProfileLoader(Name);
1051 }
1052
1053 bool SampleProfileLoader::runOnModule(Module &M) {
1054   if (!ProfileIsValid)
1055     return false;
1056
1057   bool retval = false;
1058   for (auto &F : M)
1059     if (!F.isDeclaration()) {
1060       clearFunctionData();
1061       retval |= runOnFunction(F);
1062     }
1063   return retval;
1064 }
1065
1066 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1067   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
1068   if (!Samples->empty())
1069     return emitAnnotations(F);
1070   return false;
1071 }