LoopIdiom: Use utility functions.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopIdiomRecognize.cpp
1 //===-- LoopIdiomRecognize.cpp - Loop idiom recognition -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass implements an idiom recognizer that transforms simple loops into a
11 // non-loop form.  In cases that this kicks in, it can be a significant
12 // performance win.
13 //
14 //===----------------------------------------------------------------------===//
15 //
16 // TODO List:
17 //
18 // Future loop memory idioms to recognize:
19 //   memcmp, memmove, strlen, etc.
20 // Future floating point idioms to recognize in -ffast-math mode:
21 //   fpowi
22 // Future integer operation idioms to recognize:
23 //   ctpop, ctlz, cttz
24 //
25 // Beware that isel's default lowering for ctpop is highly inefficient for
26 // i64 and larger types when i64 is legal and the value has few bits set.  It
27 // would be good to enhance isel to emit a loop for ctpop in this case.
28 //
29 // We should enhance the memset/memcpy recognition to handle multiple stores in
30 // the loop.  This would handle things like:
31 //   void foo(_Complex float *P)
32 //     for (i) { __real__(*P) = 0;  __imag__(*P) = 0; }
33 //
34 // We should enhance this to handle negative strides through memory.
35 // Alternatively (and perhaps better) we could rely on an earlier pass to force
36 // forward iteration through memory, which is generally better for cache
37 // behavior.  Negative strides *do* happen for memset/memcpy loops.
38 //
39 // This could recognize common matrix multiplies and dot product idioms and
40 // replace them with calls to BLAS (if linked in??).
41 //
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
48 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
50 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
51 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
52 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
53 #include "llvm/IR/Dominators.h"
54 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
55 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
56 #include "llvm/IR/Module.h"
57 #include "llvm/Support/Debug.h"
58 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
59 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
61 using namespace llvm;
62
63 #define DEBUG_TYPE "loop-idiom"
64
65 STATISTIC(NumMemSet, "Number of memset's formed from loop stores");
66 STATISTIC(NumMemCpy, "Number of memcpy's formed from loop load+stores");
67
68 namespace {
69
70   class LoopIdiomRecognize;
71
72   /// This class defines some utility functions for loop idiom recognization.
73   class LIRUtil {
74   public:
75     /// Return true iff the block contains nothing but an uncondition branch
76     /// (aka goto instruction).
77     static bool isAlmostEmpty(BasicBlock *);
78
79     static BranchInst *getBranch(BasicBlock *BB) {
80       return dyn_cast<BranchInst>(BB->getTerminator());
81     }
82
83     /// Derive the precondition block (i.e the block that guards the loop
84     /// preheader) from the given preheader.
85     static BasicBlock *getPrecondBb(BasicBlock *PreHead);
86   };
87
88   /// This class is to recoginize idioms of population-count conducted in
89   /// a noncountable loop. Currently it only recognizes this pattern:
90   /// \code
91   ///   while(x) {cnt++; ...; x &= x - 1; ...}
92   /// \endcode
93   class NclPopcountRecognize {
94     LoopIdiomRecognize &LIR;
95     Loop *CurLoop;
96     BasicBlock *PreCondBB;
97
98     typedef IRBuilder<> IRBuilderTy;
99
100   public:
101     explicit NclPopcountRecognize(LoopIdiomRecognize &TheLIR);
102     bool recognize();
103
104   private:
105     /// Take a glimpse of the loop to see if we need to go ahead recoginizing
106     /// the idiom.
107     bool preliminaryScreen();
108
109     /// Check if the given conditional branch is based on the comparison
110     /// between a variable and zero, and if the variable is non-zero, the
111     /// control yields to the loop entry. If the branch matches the behavior,
112     /// the variable involved in the comparion is returned. This function will
113     /// be called to see if the precondition and postcondition of the loop
114     /// are in desirable form.
115     Value *matchCondition(BranchInst *Br, BasicBlock *NonZeroTarget) const;
116
117     /// Return true iff the idiom is detected in the loop. and 1) \p CntInst
118     /// is set to the instruction counting the population bit. 2) \p CntPhi
119     /// is set to the corresponding phi node. 3) \p Var is set to the value
120     /// whose population bits are being counted.
121     bool detectIdiom
122       (Instruction *&CntInst, PHINode *&CntPhi, Value *&Var) const;
123
124     /// Insert ctpop intrinsic function and some obviously dead instructions.
125     void transform(Instruction *CntInst, PHINode *CntPhi, Value *Var);
126
127     /// Create llvm.ctpop.* intrinsic function.
128     CallInst *createPopcntIntrinsic(IRBuilderTy &IRB, Value *Val, DebugLoc DL);
129   };
130
131   class LoopIdiomRecognize : public LoopPass {
132     Loop *CurLoop;
133     const DataLayout *DL;
134     DominatorTree *DT;
135     ScalarEvolution *SE;
136     TargetLibraryInfo *TLI;
137     const TargetTransformInfo *TTI;
138   public:
139     static char ID;
140     explicit LoopIdiomRecognize() : LoopPass(ID) {
141       initializeLoopIdiomRecognizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
142       DL = nullptr; DT = nullptr; SE = nullptr; TLI = nullptr; TTI = nullptr;
143     }
144
145     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
146     bool runOnLoopBlock(BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
147                         SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks);
148
149     bool processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount);
150     bool processLoopMemSet(MemSetInst *MSI, const SCEV *BECount);
151
152     bool processLoopStridedStore(Value *DestPtr, unsigned StoreSize,
153                                  unsigned StoreAlignment,
154                                  Value *SplatValue, Instruction *TheStore,
155                                  const SCEVAddRecExpr *Ev,
156                                  const SCEV *BECount);
157     bool processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI, unsigned StoreSize,
158                                     const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
159                                     const SCEVAddRecExpr *LoadEv,
160                                     const SCEV *BECount);
161
162     /// This transformation requires natural loop information & requires that
163     /// loop preheaders be inserted into the CFG.
164     ///
165     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
166       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
167       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
168       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
169       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
170       AU.addRequiredID(LCSSAID);
171       AU.addPreservedID(LCSSAID);
172       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
173       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
174       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
175       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
176       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
177       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
178       AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
179       AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
180     }
181
182     const DataLayout *getDataLayout() {
183       if (DL)
184         return DL;
185       DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
186       DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
187       return DL;
188     }
189
190     DominatorTree *getDominatorTree() {
191       return DT ? DT
192                 : (DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree());
193     }
194
195     ScalarEvolution *getScalarEvolution() {
196       return SE ? SE : (SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>());
197     }
198
199     TargetLibraryInfo *getTargetLibraryInfo() {
200       if (!TLI)
201         TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
202
203       return TLI;
204     }
205
206     const TargetTransformInfo *getTargetTransformInfo() {
207       return TTI ? TTI
208                  : (TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
209                         *CurLoop->getHeader()->getParent()));
210     }
211
212     Loop *getLoop() const { return CurLoop; }
213
214   private:
215     bool runOnNoncountableLoop();
216     bool runOnCountableLoop();
217   };
218 }
219
220 char LoopIdiomRecognize::ID = 0;
221 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
222                       false, false)
223 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
224 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
225 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
226 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
227 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
228 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
229 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
230 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
231 INITIALIZE_PASS_END(LoopIdiomRecognize, "loop-idiom", "Recognize loop idioms",
232                     false, false)
233
234 Pass *llvm::createLoopIdiomPass() { return new LoopIdiomRecognize(); }
235
236 /// deleteDeadInstruction - Delete this instruction.  Before we do, go through
237 /// and zero out all the operands of this instruction.  If any of them become
238 /// dead, delete them and the computation tree that feeds them.
239 ///
240 static void deleteDeadInstruction(Instruction *I,
241                                   const TargetLibraryInfo *TLI) {
242   SmallVector<Value *, 16> Operands(I->value_op_begin(), I->value_op_end());
243   I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
244   I->eraseFromParent();
245   for (Value *Op : Operands)
246     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Op, TLI);
247 }
248
249 //===----------------------------------------------------------------------===//
250 //
251 //          Implementation of LIRUtil
252 //
253 //===----------------------------------------------------------------------===//
254
255 // This function will return true iff the given block contains nothing but goto.
256 // A typical usage of this function is to check if the preheader function is
257 // "almost" empty such that generated intrinsic functions can be moved across
258 // the preheader and be placed at the end of the precondition block without
259 // the concern of breaking data dependence.
260 bool LIRUtil::isAlmostEmpty(BasicBlock *BB) {
261   if (BranchInst *Br = getBranch(BB)) {
262     return Br->isUnconditional() && Br == BB->begin();
263   }
264   return false;
265 }
266
267 BasicBlock *LIRUtil::getPrecondBb(BasicBlock *PreHead) {
268   if (BasicBlock *BB = PreHead->getSinglePredecessor()) {
269     BranchInst *Br = getBranch(BB);
270     return Br && Br->isConditional() ? BB : nullptr;
271   }
272   return nullptr;
273 }
274
275 //===----------------------------------------------------------------------===//
276 //
277 //          Implementation of NclPopcountRecognize
278 //
279 //===----------------------------------------------------------------------===//
280
281 NclPopcountRecognize::NclPopcountRecognize(LoopIdiomRecognize &TheLIR):
282   LIR(TheLIR), CurLoop(TheLIR.getLoop()), PreCondBB(nullptr) {
283 }
284
285 bool NclPopcountRecognize::preliminaryScreen() {
286   const TargetTransformInfo *TTI = LIR.getTargetTransformInfo();
287   if (TTI->getPopcntSupport(32) != TargetTransformInfo::PSK_FastHardware)
288     return false;
289
290   // Counting population are usually conducted by few arithmetic instructions.
291   // Such instructions can be easilly "absorbed" by vacant slots in a
292   // non-compact loop. Therefore, recognizing popcount idiom only makes sense
293   // in a compact loop.
294
295   // Give up if the loop has multiple blocks or multiple backedges.
296   if (CurLoop->getNumBackEdges() != 1 || CurLoop->getNumBlocks() != 1)
297     return false;
298
299   BasicBlock *LoopBody = *(CurLoop->block_begin());
300   if (LoopBody->size() >= 20) {
301     // The loop is too big, bail out.
302     return false;
303   }
304
305   // It should have a preheader containing nothing but a goto instruction.
306   BasicBlock *PreHead = CurLoop->getLoopPreheader();
307   if (!PreHead || !LIRUtil::isAlmostEmpty(PreHead))
308     return false;
309
310   // It should have a precondition block where the generated popcount instrinsic
311   // function will be inserted.
312   PreCondBB = LIRUtil::getPrecondBb(PreHead);
313   if (!PreCondBB)
314     return false;
315
316   return true;
317 }
318
319 Value *NclPopcountRecognize::matchCondition(BranchInst *Br,
320                                             BasicBlock *LoopEntry) const {
321   if (!Br || !Br->isConditional())
322     return nullptr;
323
324   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(Br->getCondition());
325   if (!Cond)
326     return nullptr;
327
328   ConstantInt *CmpZero = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1));
329   if (!CmpZero || !CmpZero->isZero())
330     return nullptr;
331
332   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
333   if ((Pred == ICmpInst::ICMP_NE && Br->getSuccessor(0) == LoopEntry) ||
334       (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && Br->getSuccessor(1) == LoopEntry))
335     return Cond->getOperand(0);
336
337   return nullptr;
338 }
339
340 bool NclPopcountRecognize::detectIdiom(Instruction *&CntInst,
341                                        PHINode *&CntPhi,
342                                        Value *&Var) const {
343   // Following code tries to detect this idiom:
344   //
345   //    if (x0 != 0)
346   //      goto loop-exit // the precondition of the loop
347   //    cnt0 = init-val;
348   //    do {
349   //       x1 = phi (x0, x2);
350   //       cnt1 = phi(cnt0, cnt2);
351   //
352   //       cnt2 = cnt1 + 1;
353   //        ...
354   //       x2 = x1 & (x1 - 1);
355   //        ...
356   //    } while(x != 0);
357   //
358   // loop-exit:
359   //
360
361   // step 1: Check to see if the look-back branch match this pattern:
362   //    "if (a!=0) goto loop-entry".
363   BasicBlock *LoopEntry;
364   Instruction *DefX2, *CountInst;
365   Value *VarX1, *VarX0;
366   PHINode *PhiX, *CountPhi;
367
368   DefX2 = CountInst = nullptr;
369   VarX1 = VarX0 = nullptr;
370   PhiX = CountPhi = nullptr;
371   LoopEntry = *(CurLoop->block_begin());
372
373   // step 1: Check if the loop-back branch is in desirable form.
374   {
375     if (Value *T = matchCondition (LIRUtil::getBranch(LoopEntry), LoopEntry))
376       DefX2 = dyn_cast<Instruction>(T);
377     else
378       return false;
379   }
380
381   // step 2: detect instructions corresponding to "x2 = x1 & (x1 - 1)"
382   {
383     if (!DefX2 || DefX2->getOpcode() != Instruction::And)
384       return false;
385
386     BinaryOperator *SubOneOp;
387
388     if ((SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(0))))
389       VarX1 = DefX2->getOperand(1);
390     else {
391       VarX1 = DefX2->getOperand(0);
392       SubOneOp = dyn_cast<BinaryOperator>(DefX2->getOperand(1));
393     }
394     if (!SubOneOp)
395       return false;
396
397     Instruction *SubInst = cast<Instruction>(SubOneOp);
398     ConstantInt *Dec = dyn_cast<ConstantInt>(SubInst->getOperand(1));
399     if (!Dec ||
400         !((SubInst->getOpcode() == Instruction::Sub && Dec->isOne()) ||
401           (SubInst->getOpcode() == Instruction::Add && Dec->isAllOnesValue()))) {
402       return false;
403     }
404   }
405
406   // step 3: Check the recurrence of variable X
407   {
408     PhiX = dyn_cast<PHINode>(VarX1);
409     if (!PhiX ||
410         (PhiX->getOperand(0) != DefX2 && PhiX->getOperand(1) != DefX2)) {
411       return false;
412     }
413   }
414
415   // step 4: Find the instruction which count the population: cnt2 = cnt1 + 1
416   {
417     CountInst = nullptr;
418     for (BasicBlock::iterator Iter = LoopEntry->getFirstNonPHI(),
419            IterE = LoopEntry->end(); Iter != IterE; Iter++) {
420       Instruction *Inst = Iter;
421       if (Inst->getOpcode() != Instruction::Add)
422         continue;
423
424       ConstantInt *Inc = dyn_cast<ConstantInt>(Inst->getOperand(1));
425       if (!Inc || !Inc->isOne())
426         continue;
427
428       PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(Inst->getOperand(0));
429       if (!Phi || Phi->getParent() != LoopEntry)
430         continue;
431
432       // Check if the result of the instruction is live of the loop.
433       bool LiveOutLoop = false;
434       for (User *U : Inst->users()) {
435         if ((cast<Instruction>(U))->getParent() != LoopEntry) {
436           LiveOutLoop = true; break;
437         }
438       }
439
440       if (LiveOutLoop) {
441         CountInst = Inst;
442         CountPhi = Phi;
443         break;
444       }
445     }
446
447     if (!CountInst)
448       return false;
449   }
450
451   // step 5: check if the precondition is in this form:
452   //   "if (x != 0) goto loop-head ; else goto somewhere-we-don't-care;"
453   {
454     BranchInst *PreCondBr = LIRUtil::getBranch(PreCondBB);
455     Value *T = matchCondition (PreCondBr, CurLoop->getLoopPreheader());
456     if (T != PhiX->getOperand(0) && T != PhiX->getOperand(1))
457       return false;
458
459     CntInst = CountInst;
460     CntPhi = CountPhi;
461     Var = T;
462   }
463
464   return true;
465 }
466
467 void NclPopcountRecognize::transform(Instruction *CntInst,
468                                      PHINode *CntPhi, Value *Var) {
469
470   ScalarEvolution *SE = LIR.getScalarEvolution();
471   TargetLibraryInfo *TLI = LIR.getTargetLibraryInfo();
472   BasicBlock *PreHead = CurLoop->getLoopPreheader();
473   BranchInst *PreCondBr = LIRUtil::getBranch(PreCondBB);
474   const DebugLoc DL = CntInst->getDebugLoc();
475
476   // Assuming before transformation, the loop is following:
477   //  if (x) // the precondition
478   //     do { cnt++; x &= x - 1; } while(x);
479
480   // Step 1: Insert the ctpop instruction at the end of the precondition block
481   IRBuilderTy Builder(PreCondBr);
482   Value *PopCnt, *PopCntZext, *NewCount, *TripCnt;
483   {
484     PopCnt = createPopcntIntrinsic(Builder, Var, DL);
485     NewCount = PopCntZext =
486       Builder.CreateZExtOrTrunc(PopCnt, cast<IntegerType>(CntPhi->getType()));
487
488     if (NewCount != PopCnt)
489       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
490
491     // TripCnt is exactly the number of iterations the loop has
492     TripCnt = NewCount;
493
494     // If the population counter's initial value is not zero, insert Add Inst.
495     Value *CntInitVal = CntPhi->getIncomingValueForBlock(PreHead);
496     ConstantInt *InitConst = dyn_cast<ConstantInt>(CntInitVal);
497     if (!InitConst || !InitConst->isZero()) {
498       NewCount = Builder.CreateAdd(NewCount, CntInitVal);
499       (cast<Instruction>(NewCount))->setDebugLoc(DL);
500     }
501   }
502
503   // Step 2: Replace the precondition from "if(x == 0) goto loop-exit" to
504   //   "if(NewCount == 0) loop-exit". Withtout this change, the intrinsic
505   //   function would be partial dead code, and downstream passes will drag
506   //   it back from the precondition block to the preheader.
507   {
508     ICmpInst *PreCond = cast<ICmpInst>(PreCondBr->getCondition());
509
510     Value *Opnd0 = PopCntZext;
511     Value *Opnd1 = ConstantInt::get(PopCntZext->getType(), 0);
512     if (PreCond->getOperand(0) != Var)
513       std::swap(Opnd0, Opnd1);
514
515     ICmpInst *NewPreCond =
516       cast<ICmpInst>(Builder.CreateICmp(PreCond->getPredicate(), Opnd0, Opnd1));
517     PreCond->replaceAllUsesWith(NewPreCond);
518
519     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PreCond, TLI);
520   }
521
522   // Step 3: Note that the population count is exactly the trip count of the
523   // loop in question, which enble us to to convert the loop from noncountable
524   // loop into a countable one. The benefit is twofold:
525   //
526   //  - If the loop only counts population, the entire loop become dead after
527   //    the transformation. It is lots easier to prove a countable loop dead
528   //    than to prove a noncountable one. (In some C dialects, a infite loop
529   //    isn't dead even if it computes nothing useful. In general, DCE needs
530   //    to prove a noncountable loop finite before safely delete it.)
531   //
532   //  - If the loop also performs something else, it remains alive.
533   //    Since it is transformed to countable form, it can be aggressively
534   //    optimized by some optimizations which are in general not applicable
535   //    to a noncountable loop.
536   //
537   // After this step, this loop (conceptually) would look like following:
538   //   newcnt = __builtin_ctpop(x);
539   //   t = newcnt;
540   //   if (x)
541   //     do { cnt++; x &= x-1; t--) } while (t > 0);
542   BasicBlock *Body = *(CurLoop->block_begin());
543   {
544     BranchInst *LbBr = LIRUtil::getBranch(Body);
545     ICmpInst *LbCond = cast<ICmpInst>(LbBr->getCondition());
546     Type *Ty = TripCnt->getType();
547
548     PHINode *TcPhi = PHINode::Create(Ty, 2, "tcphi", Body->begin());
549
550     Builder.SetInsertPoint(LbCond);
551     Value *Opnd1 = cast<Value>(TcPhi);
552     Value *Opnd2 = cast<Value>(ConstantInt::get(Ty, 1));
553     Instruction *TcDec =
554       cast<Instruction>(Builder.CreateSub(Opnd1, Opnd2, "tcdec", false, true));
555
556     TcPhi->addIncoming(TripCnt, PreHead);
557     TcPhi->addIncoming(TcDec, Body);
558
559     CmpInst::Predicate Pred = (LbBr->getSuccessor(0) == Body) ?
560       CmpInst::ICMP_UGT : CmpInst::ICMP_SLE;
561     LbCond->setPredicate(Pred);
562     LbCond->setOperand(0, TcDec);
563     LbCond->setOperand(1, cast<Value>(ConstantInt::get(Ty, 0)));
564   }
565
566   // Step 4: All the references to the original population counter outside
567   //  the loop are replaced with the NewCount -- the value returned from
568   //  __builtin_ctpop().
569   CntInst->replaceUsesOutsideBlock(NewCount, Body);
570
571   // step 5: Forget the "non-computable" trip-count SCEV associated with the
572   //   loop. The loop would otherwise not be deleted even if it becomes empty.
573   SE->forgetLoop(CurLoop);
574 }
575
576 CallInst *NclPopcountRecognize::createPopcntIntrinsic(IRBuilderTy &IRBuilder,
577                                                       Value *Val, DebugLoc DL) {
578   Value *Ops[] = { Val };
579   Type *Tys[] = { Val->getType() };
580
581   Module *M = (*(CurLoop->block_begin()))->getParent()->getParent();
582   Value *Func = Intrinsic::getDeclaration(M, Intrinsic::ctpop, Tys);
583   CallInst *CI = IRBuilder.CreateCall(Func, Ops);
584   CI->setDebugLoc(DL);
585
586   return CI;
587 }
588
589 /// recognize - detect population count idiom in a non-countable loop. If
590 ///   detected, transform the relevant code to popcount intrinsic function
591 ///   call, and return true; otherwise, return false.
592 bool NclPopcountRecognize::recognize() {
593
594   if (!LIR.getTargetTransformInfo())
595     return false;
596
597   LIR.getScalarEvolution();
598
599   if (!preliminaryScreen())
600     return false;
601
602   Instruction *CntInst;
603   PHINode *CntPhi;
604   Value *Val;
605   if (!detectIdiom(CntInst, CntPhi, Val))
606     return false;
607
608   transform(CntInst, CntPhi, Val);
609   return true;
610 }
611
612 //===----------------------------------------------------------------------===//
613 //
614 //          Implementation of LoopIdiomRecognize
615 //
616 //===----------------------------------------------------------------------===//
617
618 bool LoopIdiomRecognize::runOnCountableLoop() {
619   const SCEV *BECount = SE->getBackedgeTakenCount(CurLoop);
620   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BECount)) return false;
621
622   // If this loop executes exactly one time, then it should be peeled, not
623   // optimized by this pass.
624   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
625     if (BECst->getValue()->getValue() == 0)
626       return false;
627
628   // We require target data for now.
629   if (!getDataLayout())
630     return false;
631
632   // set DT
633   (void)getDominatorTree();
634
635   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
636   TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
637
638   // set TLI
639   (void)getTargetLibraryInfo();
640
641   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
642   CurLoop->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
643
644   DEBUG(dbgs() << "loop-idiom Scanning: F["
645                << CurLoop->getHeader()->getParent()->getName()
646                << "] Loop %" << CurLoop->getHeader()->getName() << "\n");
647
648   bool MadeChange = false;
649   // Scan all the blocks in the loop that are not in subloops.
650   for (Loop::block_iterator BI = CurLoop->block_begin(),
651          E = CurLoop->block_end(); BI != E; ++BI) {
652     // Ignore blocks in subloops.
653     if (LI.getLoopFor(*BI) != CurLoop)
654       continue;
655
656     MadeChange |= runOnLoopBlock(*BI, BECount, ExitBlocks);
657   }
658   return MadeChange;
659 }
660
661 bool LoopIdiomRecognize::runOnNoncountableLoop() {
662   NclPopcountRecognize Popcount(*this);
663   if (Popcount.recognize())
664     return true;
665
666   return false;
667 }
668
669 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
670   if (skipOptnoneFunction(L))
671     return false;
672
673   CurLoop = L;
674
675   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
676   // indirectbr in it, just give up.
677   if (!L->getLoopPreheader())
678     return false;
679
680   // Disable loop idiom recognition if the function's name is a common idiom.
681   StringRef Name = L->getHeader()->getParent()->getName();
682   if (Name == "memset" || Name == "memcpy")
683     return false;
684
685   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
686   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L))
687     return runOnCountableLoop();
688   return runOnNoncountableLoop();
689 }
690
691 /// runOnLoopBlock - Process the specified block, which lives in a counted loop
692 /// with the specified backedge count.  This block is known to be in the current
693 /// loop and not in any subloops.
694 bool LoopIdiomRecognize::runOnLoopBlock(BasicBlock *BB, const SCEV *BECount,
695                                      SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks) {
696   // We can only promote stores in this block if they are unconditionally
697   // executed in the loop.  For a block to be unconditionally executed, it has
698   // to dominate all the exit blocks of the loop.  Verify this now.
699   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
700     if (!DT->dominates(BB, ExitBlocks[i]))
701       return false;
702
703   bool MadeChange = false;
704   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
705     Instruction *Inst = I++;
706     // Look for store instructions, which may be optimized to memset/memcpy.
707     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))  {
708       WeakVH InstPtr(I);
709       if (!processLoopStore(SI, BECount)) continue;
710       MadeChange = true;
711
712       // If processing the store invalidated our iterator, start over from the
713       // top of the block.
714       if (!InstPtr)
715         I = BB->begin();
716       continue;
717     }
718
719     // Look for memset instructions, which may be optimized to a larger memset.
720     if (MemSetInst *MSI = dyn_cast<MemSetInst>(Inst))  {
721       WeakVH InstPtr(I);
722       if (!processLoopMemSet(MSI, BECount)) continue;
723       MadeChange = true;
724
725       // If processing the memset invalidated our iterator, start over from the
726       // top of the block.
727       if (!InstPtr)
728         I = BB->begin();
729       continue;
730     }
731   }
732
733   return MadeChange;
734 }
735
736
737 /// processLoopStore - See if this store can be promoted to a memset or memcpy.
738 bool LoopIdiomRecognize::processLoopStore(StoreInst *SI, const SCEV *BECount) {
739   if (!SI->isSimple()) return false;
740
741   Value *StoredVal = SI->getValueOperand();
742   Value *StorePtr = SI->getPointerOperand();
743
744   // Reject stores that are so large that they overflow an unsigned.
745   uint64_t SizeInBits = DL->getTypeSizeInBits(StoredVal->getType());
746   if ((SizeInBits & 7) || (SizeInBits >> 32) != 0)
747     return false;
748
749   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
750   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
751   // random store we can't handle.
752   const SCEVAddRecExpr *StoreEv =
753     dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(StorePtr));
754   if (!StoreEv || StoreEv->getLoop() != CurLoop || !StoreEv->isAffine())
755     return false;
756
757   // Check to see if the stride matches the size of the store.  If so, then we
758   // know that every byte is touched in the loop.
759   unsigned StoreSize = (unsigned)SizeInBits >> 3;
760   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(StoreEv->getOperand(1));
761
762   if (!Stride || StoreSize != Stride->getValue()->getValue()) {
763     // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require
764     // the validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
765     // Enable this to print exact negative strides.
766     if (0 && Stride && StoreSize == -Stride->getValue()->getValue()) {
767       dbgs() << "NEGATIVE STRIDE: " << *SI << "\n";
768       dbgs() << "BB: " << *SI->getParent();
769     }
770
771     return false;
772   }
773
774   // See if we can optimize just this store in isolation.
775   if (processLoopStridedStore(StorePtr, StoreSize, SI->getAlignment(),
776                               StoredVal, SI, StoreEv, BECount))
777     return true;
778
779   // If the stored value is a strided load in the same loop with the same stride
780   // this this may be transformable into a memcpy.  This kicks in for stuff like
781   //   for (i) A[i] = B[i];
782   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(StoredVal)) {
783     const SCEVAddRecExpr *LoadEv =
784       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(LI->getOperand(0)));
785     if (LoadEv && LoadEv->getLoop() == CurLoop && LoadEv->isAffine() &&
786         StoreEv->getOperand(1) == LoadEv->getOperand(1) && LI->isSimple())
787       if (processLoopStoreOfLoopLoad(SI, StoreSize, StoreEv, LoadEv, BECount))
788         return true;
789   }
790   //errs() << "UNHANDLED strided store: " << *StoreEv << " - " << *SI << "\n";
791
792   return false;
793 }
794
795 /// processLoopMemSet - See if this memset can be promoted to a large memset.
796 bool LoopIdiomRecognize::
797 processLoopMemSet(MemSetInst *MSI, const SCEV *BECount) {
798   // We can only handle non-volatile memsets with a constant size.
799   if (MSI->isVolatile() || !isa<ConstantInt>(MSI->getLength())) return false;
800
801   // If we're not allowed to hack on memset, we fail.
802   if (!TLI->has(LibFunc::memset))
803     return false;
804
805   Value *Pointer = MSI->getDest();
806
807   // See if the pointer expression is an AddRec like {base,+,1} on the current
808   // loop, which indicates a strided store.  If we have something else, it's a
809   // random store we can't handle.
810   const SCEVAddRecExpr *Ev = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Pointer));
811   if (!Ev || Ev->getLoop() != CurLoop || !Ev->isAffine())
812     return false;
813
814   // Reject memsets that are so large that they overflow an unsigned.
815   uint64_t SizeInBytes = cast<ConstantInt>(MSI->getLength())->getZExtValue();
816   if ((SizeInBytes >> 32) != 0)
817     return false;
818
819   // Check to see if the stride matches the size of the memset.  If so, then we
820   // know that every byte is touched in the loop.
821   const SCEVConstant *Stride = dyn_cast<SCEVConstant>(Ev->getOperand(1));
822
823   // TODO: Could also handle negative stride here someday, that will require the
824   // validity check in mayLoopAccessLocation to be updated though.
825   if (!Stride || MSI->getLength() != Stride->getValue())
826     return false;
827
828   return processLoopStridedStore(Pointer, (unsigned)SizeInBytes,
829                                  MSI->getAlignment(), MSI->getValue(),
830                                  MSI, Ev, BECount);
831 }
832
833
834 /// mayLoopAccessLocation - Return true if the specified loop might access the
835 /// specified pointer location, which is a loop-strided access.  The 'Access'
836 /// argument specifies what the verboten forms of access are (read or write).
837 static bool mayLoopAccessLocation(Value *Ptr,AliasAnalysis::ModRefResult Access,
838                                   Loop *L, const SCEV *BECount,
839                                   unsigned StoreSize, AliasAnalysis &AA,
840                                   Instruction *IgnoredStore) {
841   // Get the location that may be stored across the loop.  Since the access is
842   // strided positively through memory, we say that the modified location starts
843   // at the pointer and has infinite size.
844   uint64_t AccessSize = AliasAnalysis::UnknownSize;
845
846   // If the loop iterates a fixed number of times, we can refine the access size
847   // to be exactly the size of the memset, which is (BECount+1)*StoreSize
848   if (const SCEVConstant *BECst = dyn_cast<SCEVConstant>(BECount))
849     AccessSize = (BECst->getValue()->getZExtValue()+1)*StoreSize;
850
851   // TODO: For this to be really effective, we have to dive into the pointer
852   // operand in the store.  Store to &A[i] of 100 will always return may alias
853   // with store of &A[100], we need to StoreLoc to be "A" with size of 100,
854   // which will then no-alias a store to &A[100].
855   AliasAnalysis::Location StoreLoc(Ptr, AccessSize);
856
857   for (Loop::block_iterator BI = L->block_begin(), E = L->block_end(); BI != E;
858        ++BI)
859     for (BasicBlock::iterator I = (*BI)->begin(), E = (*BI)->end(); I != E; ++I)
860       if (&*I != IgnoredStore &&
861           (AA.getModRefInfo(I, StoreLoc) & Access))
862         return true;
863
864   return false;
865 }
866
867 /// getMemSetPatternValue - If a strided store of the specified value is safe to
868 /// turn into a memset_pattern16, return a ConstantArray of 16 bytes that should
869 /// be passed in.  Otherwise, return null.
870 ///
871 /// Note that we don't ever attempt to use memset_pattern8 or 4, because these
872 /// just replicate their input array and then pass on to memset_pattern16.
873 static Constant *getMemSetPatternValue(Value *V, const DataLayout &DL) {
874   // If the value isn't a constant, we can't promote it to being in a constant
875   // array.  We could theoretically do a store to an alloca or something, but
876   // that doesn't seem worthwhile.
877   Constant *C = dyn_cast<Constant>(V);
878   if (!C) return nullptr;
879
880   // Only handle simple values that are a power of two bytes in size.
881   uint64_t Size = DL.getTypeSizeInBits(V->getType());
882   if (Size == 0 || (Size & 7) || (Size & (Size-1)))
883     return nullptr;
884
885   // Don't care enough about darwin/ppc to implement this.
886   if (DL.isBigEndian())
887     return nullptr;
888
889   // Convert to size in bytes.
890   Size /= 8;
891
892   // TODO: If CI is larger than 16-bytes, we can try slicing it in half to see
893   // if the top and bottom are the same (e.g. for vectors and large integers).
894   if (Size > 16) return nullptr;
895
896   // If the constant is exactly 16 bytes, just use it.
897   if (Size == 16) return C;
898
899   // Otherwise, we'll use an array of the constants.
900   unsigned ArraySize = 16/Size;
901   ArrayType *AT = ArrayType::get(V->getType(), ArraySize);
902   return ConstantArray::get(AT, std::vector<Constant*>(ArraySize, C));
903 }
904
905
906 /// processLoopStridedStore - We see a strided store of some value.  If we can
907 /// transform this into a memset or memset_pattern in the loop preheader, do so.
908 bool LoopIdiomRecognize::
909 processLoopStridedStore(Value *DestPtr, unsigned StoreSize,
910                         unsigned StoreAlignment, Value *StoredVal,
911                         Instruction *TheStore, const SCEVAddRecExpr *Ev,
912                         const SCEV *BECount) {
913
914   // If the stored value is a byte-wise value (like i32 -1), then it may be
915   // turned into a memset of i8 -1, assuming that all the consecutive bytes
916   // are stored.  A store of i32 0x01020304 can never be turned into a memset,
917   // but it can be turned into memset_pattern if the target supports it.
918   Value *SplatValue = isBytewiseValue(StoredVal);
919   Constant *PatternValue = nullptr;
920
921   unsigned DestAS = DestPtr->getType()->getPointerAddressSpace();
922
923   // If we're allowed to form a memset, and the stored value would be acceptable
924   // for memset, use it.
925   if (SplatValue && TLI->has(LibFunc::memset) &&
926       // Verify that the stored value is loop invariant.  If not, we can't
927       // promote the memset.
928       CurLoop->isLoopInvariant(SplatValue)) {
929     // Keep and use SplatValue.
930     PatternValue = nullptr;
931   } else if (DestAS == 0 &&
932              TLI->has(LibFunc::memset_pattern16) &&
933              (PatternValue = getMemSetPatternValue(StoredVal, *DL))) {
934     // Don't create memset_pattern16s with address spaces.
935     // It looks like we can use PatternValue!
936     SplatValue = nullptr;
937   } else {
938     // Otherwise, this isn't an idiom we can transform.  For example, we can't
939     // do anything with a 3-byte store.
940     return false;
941   }
942
943   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
944   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
945   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
946   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
947   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
948   SCEVExpander Expander(*SE, "loop-idiom");
949
950   Type *DestInt8PtrTy = Builder.getInt8PtrTy(DestAS);
951
952   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a splattable value.  We can turn
953   // this into a memset in the loop preheader now if we want.  However, this
954   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
955   // or write to the aliased location.  Check for any overlap by generating the
956   // base pointer and checking the region.
957   Value *BasePtr =
958     Expander.expandCodeFor(Ev->getStart(), DestInt8PtrTy,
959                            Preheader->getTerminator());
960
961   if (mayLoopAccessLocation(BasePtr, AliasAnalysis::ModRef,
962                             CurLoop, BECount,
963                             StoreSize, getAnalysis<AliasAnalysis>(), TheStore)) {
964     Expander.clear();
965     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
966     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(BasePtr, TLI);
967     return false;
968   }
969
970   // Okay, everything looks good, insert the memset.
971
972   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
973   // pointer size if it isn't already.
974   Type *IntPtr = Builder.getIntPtrTy(DL, DestAS);
975   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtr);
976
977   const SCEV *NumBytesS = SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtr, 1),
978                                          SCEV::FlagNUW);
979   if (StoreSize != 1) {
980     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtr, StoreSize),
981                                SCEV::FlagNUW);
982   }
983
984   Value *NumBytes =
985     Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtr, Preheader->getTerminator());
986
987   CallInst *NewCall;
988   if (SplatValue) {
989     NewCall = Builder.CreateMemSet(BasePtr,
990                                    SplatValue,
991                                    NumBytes,
992                                    StoreAlignment);
993   } else {
994     // Everything is emitted in default address space
995     Type *Int8PtrTy = DestInt8PtrTy;
996
997     Module *M = TheStore->getParent()->getParent()->getParent();
998     Value *MSP = M->getOrInsertFunction("memset_pattern16",
999                                         Builder.getVoidTy(),
1000                                         Int8PtrTy,
1001                                         Int8PtrTy,
1002                                         IntPtr,
1003                                         (void*)nullptr);
1004
1005     // Otherwise we should form a memset_pattern16.  PatternValue is known to be
1006     // an constant array of 16-bytes.  Plop the value into a mergable global.
1007     GlobalVariable *GV = new GlobalVariable(*M, PatternValue->getType(), true,
1008                                             GlobalValue::InternalLinkage,
1009                                             PatternValue, ".memset_pattern");
1010     GV->setUnnamedAddr(true); // Ok to merge these.
1011     GV->setAlignment(16);
1012     Value *PatternPtr = ConstantExpr::getBitCast(GV, Int8PtrTy);
1013     NewCall = Builder.CreateCall3(MSP, BasePtr, PatternPtr, NumBytes);
1014   }
1015
1016   DEBUG(dbgs() << "  Formed memset: " << *NewCall << "\n"
1017                << "    from store to: " << *Ev << " at: " << *TheStore << "\n");
1018   NewCall->setDebugLoc(TheStore->getDebugLoc());
1019
1020   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
1021   // feeds into it.
1022   deleteDeadInstruction(TheStore, TLI);
1023   ++NumMemSet;
1024   return true;
1025 }
1026
1027 /// processLoopStoreOfLoopLoad - We see a strided store whose value is a
1028 /// same-strided load.
1029 bool LoopIdiomRecognize::
1030 processLoopStoreOfLoopLoad(StoreInst *SI, unsigned StoreSize,
1031                            const SCEVAddRecExpr *StoreEv,
1032                            const SCEVAddRecExpr *LoadEv,
1033                            const SCEV *BECount) {
1034   // If we're not allowed to form memcpy, we fail.
1035   if (!TLI->has(LibFunc::memcpy))
1036     return false;
1037
1038   LoadInst *LI = cast<LoadInst>(SI->getValueOperand());
1039
1040   // The trip count of the loop and the base pointer of the addrec SCEV is
1041   // guaranteed to be loop invariant, which means that it should dominate the
1042   // header.  This allows us to insert code for it in the preheader.
1043   BasicBlock *Preheader = CurLoop->getLoopPreheader();
1044   IRBuilder<> Builder(Preheader->getTerminator());
1045   SCEVExpander Expander(*SE, "loop-idiom");
1046
1047   // Okay, we have a strided store "p[i]" of a loaded value.  We can turn
1048   // this into a memcpy in the loop preheader now if we want.  However, this
1049   // would be unsafe to do if there is anything else in the loop that may read
1050   // or write the memory region we're storing to.  This includes the load that
1051   // feeds the stores.  Check for an alias by generating the base address and
1052   // checking everything.
1053   Value *StoreBasePtr =
1054     Expander.expandCodeFor(StoreEv->getStart(),
1055                            Builder.getInt8PtrTy(SI->getPointerAddressSpace()),
1056                            Preheader->getTerminator());
1057
1058   if (mayLoopAccessLocation(StoreBasePtr, AliasAnalysis::ModRef,
1059                             CurLoop, BECount, StoreSize,
1060                             getAnalysis<AliasAnalysis>(), SI)) {
1061     Expander.clear();
1062     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
1063     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
1064     return false;
1065   }
1066
1067   // For a memcpy, we have to make sure that the input array is not being
1068   // mutated by the loop.
1069   Value *LoadBasePtr =
1070     Expander.expandCodeFor(LoadEv->getStart(),
1071                            Builder.getInt8PtrTy(LI->getPointerAddressSpace()),
1072                            Preheader->getTerminator());
1073
1074   if (mayLoopAccessLocation(LoadBasePtr, AliasAnalysis::Mod, CurLoop, BECount,
1075                             StoreSize, getAnalysis<AliasAnalysis>(), SI)) {
1076     Expander.clear();
1077     // If we generated new code for the base pointer, clean up.
1078     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(LoadBasePtr, TLI);
1079     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(StoreBasePtr, TLI);
1080     return false;
1081   }
1082
1083   // Okay, everything is safe, we can transform this!
1084
1085
1086   // The # stored bytes is (BECount+1)*Size.  Expand the trip count out to
1087   // pointer size if it isn't already.
1088   Type *IntPtrTy = Builder.getIntPtrTy(DL, SI->getPointerAddressSpace());
1089   BECount = SE->getTruncateOrZeroExtend(BECount, IntPtrTy);
1090
1091   const SCEV *NumBytesS = SE->getAddExpr(BECount, SE->getConstant(IntPtrTy, 1),
1092                                          SCEV::FlagNUW);
1093   if (StoreSize != 1)
1094     NumBytesS = SE->getMulExpr(NumBytesS, SE->getConstant(IntPtrTy, StoreSize),
1095                                SCEV::FlagNUW);
1096
1097   Value *NumBytes =
1098     Expander.expandCodeFor(NumBytesS, IntPtrTy, Preheader->getTerminator());
1099
1100   CallInst *NewCall =
1101     Builder.CreateMemCpy(StoreBasePtr, LoadBasePtr, NumBytes,
1102                          std::min(SI->getAlignment(), LI->getAlignment()));
1103   NewCall->setDebugLoc(SI->getDebugLoc());
1104
1105   DEBUG(dbgs() << "  Formed memcpy: " << *NewCall << "\n"
1106                << "    from load ptr=" << *LoadEv << " at: " << *LI << "\n"
1107                << "    from store ptr=" << *StoreEv << " at: " << *SI << "\n");
1108
1109
1110   // Okay, the memset has been formed.  Zap the original store and anything that
1111   // feeds into it.
1112   deleteDeadInstruction(SI, TLI);
1113   ++NumMemCpy;
1114   return true;
1115 }