Convert SampleProfile pass into a Module pass.
[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/raw_ostream.h"
47 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
48 #include <cctype>
49
50 using namespace llvm;
51 using namespace sampleprof;
52
53 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
54
55 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
56 // mainly used for debugging.
57 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
58     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
59     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
60 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
61     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
62     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
63              "sample block/edge weights through the CFG."));
64
65 namespace {
66 typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
67 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
68 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
69 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
70 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8>> BlockEdgeMap;
71
72 /// \brief Sample profile pass.
73 ///
74 /// This pass reads profile data from the file specified by
75 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
76 /// profile information found in that file.
77 class SampleProfileLoader : public ModulePass {
78 public:
79   // Class identification, replacement for typeinfo
80   static char ID;
81
82   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
83       : ModulePass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr),
84         Ctx(nullptr), Reader(), Samples(nullptr), Filename(Name),
85         ProfileIsValid(false) {
86     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
87   }
88
89   bool doInitialization(Module &M) override;
90
91   void dump() { Reader->dump(); }
92
93   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
94
95   bool runOnModule(Module &M) override;
96
97   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
98     AU.setPreservesCFG();
99
100     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
101     AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
102
103     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
104     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
105
106     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
107     AU.addPreserved<PostDominatorTree>();
108   }
109
110 protected:
111   bool runOnFunction(Function &F);
112   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
113   bool emitAnnotations(Function &F);
114   unsigned getInstWeight(Instruction &I);
115   unsigned getBlockWeight(BasicBlock *BB);
116   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
117   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
118   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, 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   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
126   void buildEdges(Function &F);
127   bool propagateThroughEdges(Function &F);
128
129   /// \brief Line number for the function header. Used to compute absolute
130   /// line numbers from the relative line numbers found in the profile.
131   unsigned HeaderLineno;
132
133   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
134   ///
135   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
136   /// of all the instruction weights in that block.
137   BlockWeightMap BlockWeights;
138
139   /// \brief Map edges to their computed weights.
140   ///
141   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
142   /// SampleProfile::propagateWeights.
143   EdgeWeightMap EdgeWeights;
144
145   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
146   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
147
148   /// \brief Set of visited edges during propagation.
149   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
150
151   /// \brief Equivalence classes for block weights.
152   ///
153   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
154   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
155   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
156   /// the same number of times.
157   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
158
159   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
160   DominatorTree *DT;
161   PostDominatorTree *PDT;
162   LoopInfo *LI;
163
164   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
165   BlockEdgeMap Predecessors;
166
167   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
168   BlockEdgeMap Successors;
169
170   /// \brief LLVM context holding the debug data we need.
171   LLVMContext *Ctx;
172
173   /// \brief Profile reader object.
174   std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
175
176   /// \brief Samples collected for the body of this function.
177   FunctionSamples *Samples;
178
179   /// \brief Name of the profile file to load.
180   StringRef Filename;
181
182   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
183   bool ProfileIsValid;
184 };
185 }
186
187 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
188 ///
189 /// \param OS  Stream to emit the output to.
190 /// \param E  Edge to print.
191 void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
192   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
193      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
194 }
195
196 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
197 ///
198 /// \param OS  Stream to emit the output to.
199 /// \param BB  Block to print.
200 void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
201                                                 BasicBlock *BB) {
202   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
203   OS << "equivalence[" << BB->getName()
204      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
205 }
206
207 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
208 ///
209 /// \param OS  Stream to emit the output to.
210 /// \param BB  Block to print.
211 void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
212   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
213 }
214
215 /// \brief Get the weight for an instruction.
216 ///
217 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
218 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
219 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
220 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
221 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
222 ///
223 /// \param Inst Instruction to query.
224 ///
225 /// \returns The profiled weight of I.
226 unsigned SampleProfileLoader::getInstWeight(Instruction &Inst) {
227   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
228   if (!DLoc)
229     return 0;
230
231   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
232   if (Lineno < HeaderLineno)
233     return 0;
234
235   const DILocation *DIL = DLoc;
236   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
237   unsigned Discriminator = DIL->getDiscriminator();
238   unsigned Weight = Samples->samplesAt(LOffset, Discriminator);
239   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
240                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
241                << " - weight: " << Weight << ")\n");
242   return Weight;
243 }
244
245 /// \brief Compute the weight of a basic block.
246 ///
247 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
248 /// instructions in BB. The weight of \p BB is computed and cached in
249 /// the BlockWeights map.
250 ///
251 /// \param BB The basic block to query.
252 ///
253 /// \returns The computed weight of BB.
254 unsigned SampleProfileLoader::getBlockWeight(BasicBlock *BB) {
255   // If we've computed BB's weight before, return it.
256   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
257       BlockWeights.insert(std::make_pair(BB, 0));
258   if (!Entry.second)
259     return Entry.first->second;
260
261   // Otherwise, compute and cache BB's weight.
262   unsigned Weight = 0;
263   for (auto &I : BB->getInstList()) {
264     unsigned InstWeight = getInstWeight(I);
265     if (InstWeight > Weight)
266       Weight = InstWeight;
267   }
268   Entry.first->second = Weight;
269   return Weight;
270 }
271
272 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
273 ///
274 /// This populates the BlockWeights map by computing
275 /// the weights of every basic block in the CFG.
276 ///
277 /// \param F The function to query.
278 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
279   bool Changed = false;
280   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
281   for (auto &BB : F) {
282     unsigned Weight = getBlockWeight(&BB);
283     Changed |= (Weight > 0);
284     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
285   }
286
287   return Changed;
288 }
289
290 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
291 ///
292 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
293 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the
294 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
295 ///
296 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
297 /// the following holds:
298 ///
299 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
300 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
301 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
302 ///
303 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
304 ///
305 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
306 /// equivalence class to \p BB1.
307 ///
308 /// \param BB1  Block to check.
309 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
310 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
311 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
312 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
313 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
314     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
315     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
316   for (auto *BB2 : Descendants) {
317     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
318     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
319     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2).second && IsDomParent &&
320         IsInSameLoop) {
321       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
322
323       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
324       // as BB1.
325       //
326       // Note that we don't worry about the opposite situation here
327       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
328       // during the propagation phase. Right now, we just want to
329       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
330       // members of its equivalence set.
331       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
332       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
333       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
334     }
335   }
336 }
337
338 /// \brief Find equivalence classes.
339 ///
340 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
341 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
342 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
343 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
344 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
345 ///
346 /// \param F The function to query.
347 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
348   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
349   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
350   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
351   for (auto &BB : F) {
352     BasicBlock *BB1 = &BB;
353
354     // Compute BB1's equivalence class once.
355     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
356       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
357       continue;
358     }
359
360     // By default, blocks are in their own equivalence class.
361     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
362
363     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
364     // every basic block BB2 such that:
365     //
366     // 1- BB1 dominates BB2.
367     // 2- BB2 post-dominates BB1.
368     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
369     //
370     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
371     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
372     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
373     DominatedBBs.clear();
374     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
375     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
376
377     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
378     // We are looking for every basic block BB2 such that:
379     //
380     // 1- BB1 post-dominates BB2.
381     // 2- BB2 dominates BB1.
382     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
383     //
384     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
385     DominatedBBs.clear();
386     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
387     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
388
389     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
390   }
391
392   // Assign weights to equivalence classes.
393   //
394   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
395   // the same number of times. Since we know that the head block in
396   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
397   // to all the blocks in that equivalence class.
398   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
399   for (auto &BI : F) {
400     BasicBlock *BB = &BI;
401     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
402     if (BB != EquivBB)
403       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
404     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
405   }
406 }
407
408 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
409 ///
410 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
411 /// and increment the count of unknown edges.
412 ///
413 /// \param E  Edge to visit.
414 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
415 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
416 ///
417 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
418 unsigned SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
419                                         Edge *UnknownEdge) {
420   if (!VisitedEdges.count(E)) {
421     (*NumUnknownEdges)++;
422     *UnknownEdge = E;
423     return 0;
424   }
425
426   return EdgeWeights[E];
427 }
428
429 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
430 ///
431 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
432 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
433 ///
434 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
435 /// count of the basic block, if needed.
436 ///
437 /// \param F  Function to process.
438 ///
439 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
440 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
441   bool Changed = false;
442   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
443   for (auto &BI : F) {
444     BasicBlock *BB = &BI;
445
446     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
447     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
448     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
449     // only case we are interested in handling is when only a single
450     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
451     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
452       unsigned TotalWeight = 0;
453       unsigned NumUnknownEdges = 0;
454       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
455
456       if (i == 0) {
457         // First, visit all predecessor edges.
458         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
459           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
460           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
461           if (E.first == E.second)
462             SelfReferentialEdge = E;
463         }
464       } else {
465         // On the second round, visit all successor edges.
466         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
467           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
468           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
469         }
470       }
471
472       // After visiting all the edges, there are three cases that we
473       // can handle immediately:
474       //
475       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
476       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
477       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
478       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
479       //   we mark it visited.
480       //
481       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
482       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
483       //   subtracting the total block weight from all the known
484       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
485       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
486       //
487       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
488       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
489       //   We add up all the other known edges and set the weight on
490       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
491       //
492       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
493       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
494       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
495       if (NumUnknownEdges <= 1) {
496         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
497         if (NumUnknownEdges == 0) {
498           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
499           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
500           // of all edge weights.
501           if (TotalWeight > BBWeight) {
502             BBWeight = TotalWeight;
503             Changed = true;
504             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
505                          << " known. Set weight for block: ";
506                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
507           }
508           if (VisitedBlocks.insert(BB).second)
509             Changed = true;
510         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
511           // If there is a single unknown edge and the block has been
512           // visited, then we can compute E's weight.
513           if (BBWeight >= TotalWeight)
514             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
515           else
516             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
517           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
518           Changed = true;
519           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
520                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
521         }
522       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
523         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
524         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
525         if (BBWeight >= TotalWeight)
526           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
527         else
528           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
529         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
530         Changed = true;
531         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
532               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
533       }
534     }
535   }
536
537   return Changed;
538 }
539
540 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
541 ///
542 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
543 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
544 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
545   for (auto &BI : F) {
546     BasicBlock *B1 = &BI;
547
548     // Add predecessors for B1.
549     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
550     if (!Predecessors[B1].empty())
551       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
552     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
553       BasicBlock *B2 = *PI;
554       if (Visited.insert(B2).second)
555         Predecessors[B1].push_back(B2);
556     }
557
558     // Add successors for B1.
559     Visited.clear();
560     if (!Successors[B1].empty())
561       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
562     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
563       BasicBlock *B2 = *SI;
564       if (Visited.insert(B2).second)
565         Successors[B1].push_back(B2);
566     }
567   }
568 }
569
570 /// \brief Propagate weights into edges
571 ///
572 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
573 ///
574 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
575 ///   of that edge is the weight of the block.
576 ///
577 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
578 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
579 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
580 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
581 ///   we set the unknown edge weight to zero.
582 ///
583 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
584 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
585 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
586 ///   known).
587 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
588   bool Changed = true;
589   unsigned i = 0;
590
591   // Add an entry count to the function using the samples gathered
592   // at the function entry.
593   F.setEntryCount(Samples->getHeadSamples());
594
595   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
596   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
597   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
598   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
599   // of the pass.
600   buildEdges(F);
601
602   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
603   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
604     Changed = propagateThroughEdges(F);
605   }
606
607   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
608   // edge weights computed during propagation.
609   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
610   MDBuilder MDB(F.getContext());
611   for (auto &BI : F) {
612     BasicBlock *BB = &BI;
613     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
614     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
615       continue;
616     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
617       continue;
618
619     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
620                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
621     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
622     bool AllWeightsZero = true;
623     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
624       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
625       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
626       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
627       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
628       Weights.push_back(Weight);
629       if (Weight != 0)
630         AllWeightsZero = false;
631     }
632
633     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
634     // In any other case, let the analyzer set weights.
635     if (!AllWeightsZero) {
636       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
637       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
638                       MDB.createBranchWeights(Weights));
639     } else {
640       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
641     }
642   }
643 }
644
645 /// \brief Get the line number for the function header.
646 ///
647 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
648 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
649 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
650 /// number is relative to this line.
651 ///
652 /// \param F  Function object to query.
653 ///
654 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
655 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
656 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
657   if (DISubprogram *S = getDISubprogram(&F))
658     return S->getLine();
659
660   // If could not find the start of \p F, emit a diagnostic to inform the user
661   // about the missed opportunity.
662   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
663       "No debug information found in function " + F.getName() +
664           ": Function profile not used",
665       DS_Warning));
666   return 0;
667 }
668
669 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
670 ///
671 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
672 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
673 ///
674 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
675 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
676 ///    executed instruction.
677 ///
678 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
679 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
680 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
681 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
682 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
683 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
684 ///
685 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
686 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
687 ///    block BB in the CFG:
688 ///
689 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
690 ///      of that edge is the weight of the block.
691 ///
692 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
693 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
694 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
695 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
696 ///      we set the unknown edge weight to zero.
697 ///
698 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
699 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
700 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
701 ///      known).
702 ///
703 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
704 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
705 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
706 ///
707 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
708 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
709 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
710 /// work here.
711 ///
712 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
713 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
714 ///
715 /// \param F The function to query.
716 ///
717 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
718 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
719   bool Changed = false;
720
721   // Initialize invariants used during computation and propagation.
722   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
723   if (HeaderLineno == 0)
724     return false;
725
726   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
727                << ": " << HeaderLineno << "\n");
728
729   // Compute basic block weights.
730   Changed |= computeBlockWeights(F);
731
732   if (Changed) {
733     // Find equivalence classes.
734     findEquivalenceClasses(F);
735
736     // Propagate weights to all edges.
737     propagateWeights(F);
738   }
739
740   return Changed;
741 }
742
743 char SampleProfileLoader::ID = 0;
744 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
745                       "Sample Profile loader", false, false)
746 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
747 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
748 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
749 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
750 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
751                     "Sample Profile loader", false, false)
752
753 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
754   auto& Ctx = M.getContext();
755   auto ReaderOrErr = SampleProfileReader::create(Filename, Ctx);
756   if (std::error_code EC = ReaderOrErr.getError()) {
757     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
758     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
759     return false;
760   }
761   Reader = std::move(ReaderOrErr.get());
762   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
763   return true;
764 }
765
766 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
767   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
768 }
769
770 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
771   return new SampleProfileLoader(Name);
772 }
773
774 bool SampleProfileLoader::runOnModule(Module &M) {
775   bool retval = false;
776   for (auto &F : M)
777     if (!F.isDeclaration())
778       retval |= runOnFunction(F);
779   return retval;
780 }
781
782 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
783   if (!ProfileIsValid)
784     return false;
785
786   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>(F).getDomTree();
787   PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>(F);
788   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>(F).getLoopInfo();
789   Ctx = &F.getParent()->getContext();
790   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
791   if (!Samples->empty())
792     return emitAnnotations(F);
793   return false;
794 }