3714d7b08f4b4b1a7fdd7ed489cb6b0cdb724657
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 // This pass is a simple loop invariant code motion pass.
4 //
5 // Note that this pass does NOT require pre-headers to exist on loops in the
6 // CFG, but if there is not distinct preheader for a loop, the hoisted code will
7 // be *DUPLICATED* in every basic block, outside of the loop, that preceeds the
8 // loop header.  Additionally, any use of one of these hoisted expressions
9 // cannot be loop invariant itself, because the expression hoisted gets a PHI
10 // node that is loop variant.
11 //
12 // For these reasons, and many more, it makes sense to run a pass before this
13 // that ensures that there are preheaders on all loops.  That said, we don't
14 // REQUIRE it. :)
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
19 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
20 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
21 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
22 #include "llvm/iOperators.h"
23 #include "llvm/iPHINode.h"
24 #include "llvm/iMemory.h"
25 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
26 #include "llvm/Support/CFG.h"
27 #include "Support/STLExtras.h"
28 #include "Support/StatisticReporter.h"
29 #include <algorithm>
30 using std::string;
31
32 static Statistic<> NumHoistedNPH("licm\t\t- Number of insts hoisted to multiple"
33                                  " loop preds (bad, no loop pre-header)");
34 static Statistic<> NumHoistedPH("licm\t\t- Number of insts hoisted to a loop "
35                                 "pre-header");
36 static Statistic<> NumHoistedLoads("licm\t\t- Number of load insts hoisted");
37
38 namespace {
39   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
40     virtual bool runOnFunction(Function &F);
41
42     // This transformation requires natural loop information...
43     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
44       AU.preservesCFG();
45       AU.addRequired<LoopInfo>();
46       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
47     }
48
49   private:
50     // List of predecessor blocks for the current loop - These blocks are where
51     // we hoist loop invariants to for the current loop.
52     //
53     std::vector<BasicBlock*> LoopPreds, LoopBackEdges;
54
55     Loop *CurLoop;     // The current loop we are working on...
56     bool Changed;      // Set to true when we change anything.
57     AliasAnalysis *AA; // Currently AliasAnalysis information
58
59     // visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
60     void visitLoop(Loop *L);
61
62     // notInCurrentLoop - Little predicate that returns true if the specified
63     // basic block is in a subloop of the current one, not the current one
64     // itself.
65     //
66     bool notInCurrentLoop(BasicBlock *BB) {
67       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
68         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
69           return true;  // A subloop actually contains this block!
70       return false;      
71     }
72
73     // hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
74     // that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
75     //
76     void hoist(Instruction &I);
77
78     // pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may store
79     // into the memory location pointed to by V.
80     // 
81     bool pointerInvalidatedByLoop(Value *V);
82
83     // isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
84     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
85       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
86         return !CurLoop->contains(I->getParent());
87       return true;  // All non-instructions are loop invariant
88     }
89
90     // visitBasicBlock - Run LICM on a particular block.
91     void visitBasicBlock(BasicBlock *BB);
92
93     // Instruction visitation handlers... these basically control whether or not
94     // the specified instruction types are hoisted.
95     //
96     friend class InstVisitor<LICM>;
97     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
98       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && isLoopInvariant(I.getOperand(1)))
99         hoist(I);
100     }
101     void visitCastInst(CastInst &CI) {
102       Instruction &I = (Instruction&)CI;
103       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0))) hoist(I);
104     }
105     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
106
107     void visitLoadInst(LoadInst &LI) {
108       assert(!LI.hasIndices());
109       if (isLoopInvariant(LI.getOperand(0)) &&
110           !pointerInvalidatedByLoop(LI.getOperand(0)))
111         hoist(LI);
112     }
113
114     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
115       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
116       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
117         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
118       hoist(I);
119     }
120   };
121
122   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
123 }
124
125 Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
126
127 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
128   // get our loop information...
129   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops =
130     getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
131
132   // Get our alias analysis information...
133   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
134
135   // Traverse loops in postorder, hoisting expressions out of the deepest loops
136   // first.
137   //
138   Changed = false;
139   std::for_each(TopLevelLoops.begin(), TopLevelLoops.end(),
140                 bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
141   return Changed;
142 }
143
144 void LICM::visitLoop(Loop *L) {
145   // Recurse through all subloops before we process this loop...
146   std::for_each(L->getSubLoops().begin(), L->getSubLoops().end(),
147                 bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
148   CurLoop = L;
149
150   // Calculate the set of predecessors for this loop.  The predecessors for this
151   // loop are equal to the predecessors for the header node of the loop that are
152   // not themselves in the loop.
153   //
154   BasicBlock *Header = L->getHeader();
155
156   // Calculate the sets of predecessors and backedges of the loop...
157   LoopBackEdges.insert(LoopBackEdges.end(),pred_begin(Header),pred_end(Header));
158
159   std::vector<BasicBlock*>::iterator LPI =
160     std::partition(LoopBackEdges.begin(), LoopBackEdges.end(),
161                    bind_obj(CurLoop, &Loop::contains));
162
163   // Move all predecessors to the LoopPreds vector...
164   LoopPreds.insert(LoopPreds.end(), LPI, LoopBackEdges.end());
165
166   // Remove predecessors from backedges list...
167   LoopBackEdges.erase(LPI, LoopBackEdges.end());
168  
169
170   // The only way that there could be no predecessors to a loop is if the loop
171   // is not reachable.  Since we don't care about optimizing dead loops,
172   // summarily ignore them.
173   //
174   if (LoopPreds.empty()) return;
175   
176   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
177   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
178   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
179   // the subloops).
180   //
181   std::vector<BasicBlock*> BBs(L->getBlocks().begin(), L->getBlocks().end());
182
183   // Remove blocks that are actually in subloops...
184   BBs.erase(std::remove_if(BBs.begin(), BBs.end(), 
185                            bind_obj(this, &LICM::notInCurrentLoop)), BBs.end());
186
187   // Visit all of the basic blocks we have chosen, hoisting out the instructions
188   // as neccesary.  This leaves dead copies of the instruction in the loop
189   // unfortunately...
190   //
191   for_each(BBs.begin(), BBs.end(), bind_obj(this, &LICM::visitBasicBlock));
192
193   // Clear out loops state information for the next iteration
194   CurLoop = 0;
195   LoopPreds.clear();
196   LoopBackEdges.clear();
197 }
198
199 void LICM::visitBasicBlock(BasicBlock *BB) {
200   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
201     visit(*I);
202     
203     if (dceInstruction(I))
204       Changed = true;
205     else
206       ++I;
207   }
208 }
209
210
211 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
212   if (Inst.use_empty()) return;  // Don't (re) hoist dead instructions!
213   //cerr << "Hoisting " << Inst;
214
215   BasicBlock *Header = CurLoop->getHeader();
216
217   // Old instruction will be removed, so take it's name...
218   string InstName = Inst.getName();
219   Inst.setName("");
220
221   if (isa<LoadInst>(Inst))
222     ++NumHoistedLoads;
223
224   // The common case is that we have a pre-header.  Generate special case code
225   // that is faster if that is the case.
226   //
227   if (LoopPreds.size() == 1) {
228     BasicBlock *Pred = LoopPreds[0];
229
230     // Create a new copy of the instruction, for insertion into Pred.
231     Instruction *New = Inst.clone();
232     New->setName(InstName);
233
234     // Insert the new node in Pred, before the terminator.
235     Pred->getInstList().insert(--Pred->end(), New);
236
237     // Kill the old instruction...
238     Inst.replaceAllUsesWith(New);
239     ++NumHoistedPH;
240
241   } else {
242     // No loop pre-header, insert a PHI node into header to capture all of the
243     // incoming versions of the value.
244     //
245     PHINode *LoopVal = new PHINode(Inst.getType(), InstName+".phi");
246
247     // Insert the new PHI node into the loop header...
248     Header->getInstList().push_front(LoopVal);
249
250     // Insert cloned versions of the instruction into all of the loop preds.
251     for (unsigned i = 0, e = LoopPreds.size(); i != e; ++i) {
252       BasicBlock *Pred = LoopPreds[i];
253       
254       // Create a new copy of the instruction, for insertion into Pred.
255       Instruction *New = Inst.clone();
256       New->setName(InstName);
257
258       // Insert the new node in Pred, before the terminator.
259       Pred->getInstList().insert(--Pred->end(), New);
260
261       // Add the incoming value to the PHI node.
262       LoopVal->addIncoming(New, Pred);
263     }
264
265     // Add incoming values to the PHI node for all backedges in the loop...
266     for (unsigned i = 0, e = LoopBackEdges.size(); i != e; ++i)
267       LoopVal->addIncoming(LoopVal, LoopBackEdges[i]);
268
269     // Replace all uses of the old version of the instruction in the loop with
270     // the new version that is out of the loop.  We know that this is ok,
271     // because the new definition is in the loop header, which dominates the
272     // entire loop body.  The old definition was defined _inside_ of the loop,
273     // so the scope cannot extend outside of the loop, so we're ok.
274     //
275     Inst.replaceAllUsesWith(LoopVal);
276     ++NumHoistedNPH;
277   }
278
279   Changed = true;
280 }
281
282 // pointerInvalidatedByLoop - Return true if the body of this loop may store
283 // into the memory location pointed to by V.
284 // 
285 bool LICM::pointerInvalidatedByLoop(Value *V) {
286   // Check to see if any of the basic blocks in CurLoop invalidate V.
287   for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getBlocks().size(); i != e; ++i)
288     if (AA->canBasicBlockModify(*CurLoop->getBlocks()[i], V))
289       return true;
290   return false;
291 }