145d204332530a86d0bb7af6c4faae6f7684348e
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopRotation.cpp
1 //===- LoopRotation.cpp - Loop Rotation Pass ------------------------------===//
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 Loop Rotation Pass.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #define DEBUG_TYPE "loop-rotate"
15 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
16 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
17 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
18 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
19 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
20 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
21 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
22 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
23 #include "llvm/IR/CFG.h"
24 #include "llvm/IR/Dominators.h"
25 #include "llvm/IR/Function.h"
26 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/Support/Debug.h"
28 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/ValueMapper.h"
32 using namespace llvm;
33
34 #define MAX_HEADER_SIZE 16
35
36 STATISTIC(NumRotated, "Number of loops rotated");
37 namespace {
38
39   class LoopRotate : public LoopPass {
40   public:
41     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
42     LoopRotate() : LoopPass(ID) {
43       initializeLoopRotatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
44     }
45
46     // LCSSA form makes instruction renaming easier.
47     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
48       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
49       AU.addRequired<LoopInfo>();
50       AU.addPreserved<LoopInfo>();
51       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
52       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
53       AU.addRequiredID(LCSSAID);
54       AU.addPreservedID(LCSSAID);
55       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
56       AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
57     }
58
59     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
60     bool simplifyLoopLatch(Loop *L);
61     bool rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch);
62
63   private:
64     LoopInfo *LI;
65     const TargetTransformInfo *TTI;
66   };
67 }
68
69 char LoopRotate::ID = 0;
70 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopRotate, "loop-rotate", "Rotate Loops", false, false)
71 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
72 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
73 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
74 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
75 INITIALIZE_PASS_END(LoopRotate, "loop-rotate", "Rotate Loops", false, false)
76
77 Pass *llvm::createLoopRotatePass() { return new LoopRotate(); }
78
79 /// Rotate Loop L as many times as possible. Return true if
80 /// the loop is rotated at least once.
81 bool LoopRotate::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
82   if (skipOptnoneFunction(L))
83     return false;
84
85   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
86   TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
87
88   // Simplify the loop latch before attempting to rotate the header
89   // upward. Rotation may not be needed if the loop tail can be folded into the
90   // loop exit.
91   bool SimplifiedLatch = simplifyLoopLatch(L);
92
93   // One loop can be rotated multiple times.
94   bool MadeChange = false;
95   while (rotateLoop(L, SimplifiedLatch)) {
96     MadeChange = true;
97     SimplifiedLatch = false;
98   }
99   return MadeChange;
100 }
101
102 /// RewriteUsesOfClonedInstructions - We just cloned the instructions from the
103 /// old header into the preheader.  If there were uses of the values produced by
104 /// these instruction that were outside of the loop, we have to insert PHI nodes
105 /// to merge the two values.  Do this now.
106 static void RewriteUsesOfClonedInstructions(BasicBlock *OrigHeader,
107                                             BasicBlock *OrigPreheader,
108                                             ValueToValueMapTy &ValueMap) {
109   // Remove PHI node entries that are no longer live.
110   BasicBlock::iterator I, E = OrigHeader->end();
111   for (I = OrigHeader->begin(); PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
112     PN->removeIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(OrigPreheader));
113
114   // Now fix up users of the instructions in OrigHeader, inserting PHI nodes
115   // as necessary.
116   SSAUpdater SSA;
117   for (I = OrigHeader->begin(); I != E; ++I) {
118     Value *OrigHeaderVal = I;
119
120     // If there are no uses of the value (e.g. because it returns void), there
121     // is nothing to rewrite.
122     if (OrigHeaderVal->use_empty())
123       continue;
124
125     Value *OrigPreHeaderVal = ValueMap[OrigHeaderVal];
126
127     // The value now exits in two versions: the initial value in the preheader
128     // and the loop "next" value in the original header.
129     SSA.Initialize(OrigHeaderVal->getType(), OrigHeaderVal->getName());
130     SSA.AddAvailableValue(OrigHeader, OrigHeaderVal);
131     SSA.AddAvailableValue(OrigPreheader, OrigPreHeaderVal);
132
133     // Visit each use of the OrigHeader instruction.
134     for (Value::use_iterator UI = OrigHeaderVal->use_begin(),
135          UE = OrigHeaderVal->use_end(); UI != UE; ) {
136       // Grab the use before incrementing the iterator.
137       Use &U = UI.getUse();
138
139       // Increment the iterator before removing the use from the list.
140       ++UI;
141
142       // SSAUpdater can't handle a non-PHI use in the same block as an
143       // earlier def. We can easily handle those cases manually.
144       Instruction *UserInst = cast<Instruction>(U.getUser());
145       if (!isa<PHINode>(UserInst)) {
146         BasicBlock *UserBB = UserInst->getParent();
147
148         // The original users in the OrigHeader are already using the
149         // original definitions.
150         if (UserBB == OrigHeader)
151           continue;
152
153         // Users in the OrigPreHeader need to use the value to which the
154         // original definitions are mapped.
155         if (UserBB == OrigPreheader) {
156           U = OrigPreHeaderVal;
157           continue;
158         }
159       }
160
161       // Anything else can be handled by SSAUpdater.
162       SSA.RewriteUse(U);
163     }
164   }
165 }
166
167 /// Determine whether the instructions in this range my be safely and cheaply
168 /// speculated. This is not an important enough situation to develop complex
169 /// heuristics. We handle a single arithmetic instruction along with any type
170 /// conversions.
171 static bool shouldSpeculateInstrs(BasicBlock::iterator Begin,
172                                   BasicBlock::iterator End) {
173   bool seenIncrement = false;
174   for (BasicBlock::iterator I = Begin; I != End; ++I) {
175
176     if (!isSafeToSpeculativelyExecute(I))
177       return false;
178
179     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
180       continue;
181
182     switch (I->getOpcode()) {
183     default:
184       return false;
185     case Instruction::GetElementPtr:
186       // GEPs are cheap if all indices are constant.
187       if (!cast<GEPOperator>(I)->hasAllConstantIndices())
188         return false;
189       // fall-thru to increment case
190     case Instruction::Add:
191     case Instruction::Sub:
192     case Instruction::And:
193     case Instruction::Or:
194     case Instruction::Xor:
195     case Instruction::Shl:
196     case Instruction::LShr:
197     case Instruction::AShr:
198       if (seenIncrement)
199         return false;
200       seenIncrement = true;
201       break;
202     case Instruction::Trunc:
203     case Instruction::ZExt:
204     case Instruction::SExt:
205       // ignore type conversions
206       break;
207     }
208   }
209   return true;
210 }
211
212 /// Fold the loop tail into the loop exit by speculating the loop tail
213 /// instructions. Typically, this is a single post-increment. In the case of a
214 /// simple 2-block loop, hoisting the increment can be much better than
215 /// duplicating the entire loop header. In the cast of loops with early exits,
216 /// rotation will not work anyway, but simplifyLoopLatch will put the loop in
217 /// canonical form so downstream passes can handle it.
218 ///
219 /// I don't believe this invalidates SCEV.
220 bool LoopRotate::simplifyLoopLatch(Loop *L) {
221   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
222   if (!Latch || Latch->hasAddressTaken())
223     return false;
224
225   BranchInst *Jmp = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
226   if (!Jmp || !Jmp->isUnconditional())
227     return false;
228
229   BasicBlock *LastExit = Latch->getSinglePredecessor();
230   if (!LastExit || !L->isLoopExiting(LastExit))
231     return false;
232
233   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LastExit->getTerminator());
234   if (!BI)
235     return false;
236
237   if (!shouldSpeculateInstrs(Latch->begin(), Jmp))
238     return false;
239
240   DEBUG(dbgs() << "Folding loop latch " << Latch->getName() << " into "
241         << LastExit->getName() << "\n");
242
243   // Hoist the instructions from Latch into LastExit.
244   LastExit->getInstList().splice(BI, Latch->getInstList(), Latch->begin(), Jmp);
245
246   unsigned FallThruPath = BI->getSuccessor(0) == Latch ? 0 : 1;
247   BasicBlock *Header = Jmp->getSuccessor(0);
248   assert(Header == L->getHeader() && "expected a backward branch");
249
250   // Remove Latch from the CFG so that LastExit becomes the new Latch.
251   BI->setSuccessor(FallThruPath, Header);
252   Latch->replaceSuccessorsPhiUsesWith(LastExit);
253   Jmp->eraseFromParent();
254
255   // Nuke the Latch block.
256   assert(Latch->empty() && "unable to evacuate Latch");
257   LI->removeBlock(Latch);
258   if (DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
259           getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>())
260     DTWP->getDomTree().eraseNode(Latch);
261   Latch->eraseFromParent();
262   return true;
263 }
264
265 /// Rotate loop LP. Return true if the loop is rotated.
266 ///
267 /// \param SimplifiedLatch is true if the latch was just folded into the final
268 /// loop exit. In this case we may want to rotate even though the new latch is
269 /// now an exiting branch. This rotation would have happened had the latch not
270 /// been simplified. However, if SimplifiedLatch is false, then we avoid
271 /// rotating loops in which the latch exits to avoid excessive or endless
272 /// rotation. LoopRotate should be repeatable and converge to a canonical
273 /// form. This property is satisfied because simplifying the loop latch can only
274 /// happen once across multiple invocations of the LoopRotate pass.
275 bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch) {
276   // If the loop has only one block then there is not much to rotate.
277   if (L->getBlocks().size() == 1)
278     return false;
279
280   BasicBlock *OrigHeader = L->getHeader();
281   BasicBlock *OrigLatch = L->getLoopLatch();
282
283   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(OrigHeader->getTerminator());
284   if (BI == 0 || BI->isUnconditional())
285     return false;
286
287   // If the loop header is not one of the loop exiting blocks then
288   // either this loop is already rotated or it is not
289   // suitable for loop rotation transformations.
290   if (!L->isLoopExiting(OrigHeader))
291     return false;
292
293   // If the loop latch already contains a branch that leaves the loop then the
294   // loop is already rotated.
295   if (OrigLatch == 0)
296     return false;
297
298   // Rotate if either the loop latch does *not* exit the loop, or if the loop
299   // latch was just simplified.
300   if (L->isLoopExiting(OrigLatch) && !SimplifiedLatch)
301     return false;
302
303   // Check size of original header and reject loop if it is very big or we can't
304   // duplicate blocks inside it.
305   {
306     CodeMetrics Metrics;
307     Metrics.analyzeBasicBlock(OrigHeader, *TTI);
308     if (Metrics.notDuplicatable) {
309       DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: NOT rotating - contains non-duplicatable"
310             << " instructions: "; L->dump());
311       return false;
312     }
313     if (Metrics.NumInsts > MAX_HEADER_SIZE)
314       return false;
315   }
316
317   // Now, this loop is suitable for rotation.
318   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
319
320   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
321   // indirectbr in it, just give up.
322   if (OrigPreheader == 0)
323     return false;
324
325   // Anything ScalarEvolution may know about this loop or the PHI nodes
326   // in its header will soon be invalidated.
327   if (ScalarEvolution *SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>())
328     SE->forgetLoop(L);
329
330   DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: rotating "; L->dump());
331
332   // Find new Loop header. NewHeader is a Header's one and only successor
333   // that is inside loop.  Header's other successor is outside the
334   // loop.  Otherwise loop is not suitable for rotation.
335   BasicBlock *Exit = BI->getSuccessor(0);
336   BasicBlock *NewHeader = BI->getSuccessor(1);
337   if (L->contains(Exit))
338     std::swap(Exit, NewHeader);
339   assert(NewHeader && "Unable to determine new loop header");
340   assert(L->contains(NewHeader) && !L->contains(Exit) &&
341          "Unable to determine loop header and exit blocks");
342
343   // This code assumes that the new header has exactly one predecessor.
344   // Remove any single-entry PHI nodes in it.
345   assert(NewHeader->getSinglePredecessor() &&
346          "New header doesn't have one pred!");
347   FoldSingleEntryPHINodes(NewHeader);
348
349   // Begin by walking OrigHeader and populating ValueMap with an entry for
350   // each Instruction.
351   BasicBlock::iterator I = OrigHeader->begin(), E = OrigHeader->end();
352   ValueToValueMapTy ValueMap;
353
354   // For PHI nodes, the value available in OldPreHeader is just the
355   // incoming value from OldPreHeader.
356   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
357     ValueMap[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(OrigPreheader);
358
359   // For the rest of the instructions, either hoist to the OrigPreheader if
360   // possible or create a clone in the OldPreHeader if not.
361   TerminatorInst *LoopEntryBranch = OrigPreheader->getTerminator();
362   while (I != E) {
363     Instruction *Inst = I++;
364
365     // If the instruction's operands are invariant and it doesn't read or write
366     // memory, then it is safe to hoist.  Doing this doesn't change the order of
367     // execution in the preheader, but does prevent the instruction from
368     // executing in each iteration of the loop.  This means it is safe to hoist
369     // something that might trap, but isn't safe to hoist something that reads
370     // memory (without proving that the loop doesn't write).
371     if (L->hasLoopInvariantOperands(Inst) &&
372         !Inst->mayReadFromMemory() && !Inst->mayWriteToMemory() &&
373         !isa<TerminatorInst>(Inst) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst) &&
374         !isa<AllocaInst>(Inst)) {
375       Inst->moveBefore(LoopEntryBranch);
376       continue;
377     }
378
379     // Otherwise, create a duplicate of the instruction.
380     Instruction *C = Inst->clone();
381
382     // Eagerly remap the operands of the instruction.
383     RemapInstruction(C, ValueMap,
384                      RF_NoModuleLevelChanges|RF_IgnoreMissingEntries);
385
386     // With the operands remapped, see if the instruction constant folds or is
387     // otherwise simplifyable.  This commonly occurs because the entry from PHI
388     // nodes allows icmps and other instructions to fold.
389     Value *V = SimplifyInstruction(C);
390     if (V && LI->replacementPreservesLCSSAForm(C, V)) {
391       // If so, then delete the temporary instruction and stick the folded value
392       // in the map.
393       delete C;
394       ValueMap[Inst] = V;
395     } else {
396       // Otherwise, stick the new instruction into the new block!
397       C->setName(Inst->getName());
398       C->insertBefore(LoopEntryBranch);
399       ValueMap[Inst] = C;
400     }
401   }
402
403   // Along with all the other instructions, we just cloned OrigHeader's
404   // terminator into OrigPreHeader. Fix up the PHI nodes in each of OrigHeader's
405   // successors by duplicating their incoming values for OrigHeader.
406   TerminatorInst *TI = OrigHeader->getTerminator();
407   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
408     for (BasicBlock::iterator BI = TI->getSuccessor(i)->begin();
409          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
410       PN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(OrigHeader), OrigPreheader);
411
412   // Now that OrigPreHeader has a clone of OrigHeader's terminator, remove
413   // OrigPreHeader's old terminator (the original branch into the loop), and
414   // remove the corresponding incoming values from the PHI nodes in OrigHeader.
415   LoopEntryBranch->eraseFromParent();
416
417   // If there were any uses of instructions in the duplicated block outside the
418   // loop, update them, inserting PHI nodes as required
419   RewriteUsesOfClonedInstructions(OrigHeader, OrigPreheader, ValueMap);
420
421   // NewHeader is now the header of the loop.
422   L->moveToHeader(NewHeader);
423   assert(L->getHeader() == NewHeader && "Latch block is our new header");
424
425
426   // At this point, we've finished our major CFG changes.  As part of cloning
427   // the loop into the preheader we've simplified instructions and the
428   // duplicated conditional branch may now be branching on a constant.  If it is
429   // branching on a constant and if that constant means that we enter the loop,
430   // then we fold away the cond branch to an uncond branch.  This simplifies the
431   // loop in cases important for nested loops, and it also means we don't have
432   // to split as many edges.
433   BranchInst *PHBI = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
434   assert(PHBI->isConditional() && "Should be clone of BI condbr!");
435   if (!isa<ConstantInt>(PHBI->getCondition()) ||
436       PHBI->getSuccessor(cast<ConstantInt>(PHBI->getCondition())->isZero())
437           != NewHeader) {
438     // The conditional branch can't be folded, handle the general case.
439     // Update DominatorTree to reflect the CFG change we just made.  Then split
440     // edges as necessary to preserve LoopSimplify form.
441     if (DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
442             getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>()) {
443       DominatorTree &DT = DTWP->getDomTree();
444       // Everything that was dominated by the old loop header is now dominated
445       // by the original loop preheader. Conceptually the header was merged
446       // into the preheader, even though we reuse the actual block as a new
447       // loop latch.
448       DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT.getNode(OrigHeader);
449       SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
450                                                    OrigHeaderNode->end());
451       DomTreeNode *OrigPreheaderNode = DT.getNode(OrigPreheader);
452       for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I)
453         DT.changeImmediateDominator(HeaderChildren[I], OrigPreheaderNode);
454
455       assert(DT.getNode(Exit)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
456       assert(DT.getNode(NewHeader)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
457
458       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
459       DT.changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
460     }
461
462     // Right now OrigPreHeader has two successors, NewHeader and ExitBlock, and
463     // thus is not a preheader anymore.
464     // Split the edge to form a real preheader.
465     BasicBlock *NewPH = SplitCriticalEdge(OrigPreheader, NewHeader, this);
466     NewPH->setName(NewHeader->getName() + ".lr.ph");
467
468     // Preserve canonical loop form, which means that 'Exit' should have only
469     // one predecessor. Note that Exit could be an exit block for multiple
470     // nested loops, causing both of the edges to now be critical and need to
471     // be split.
472     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitPreds(pred_begin(Exit), pred_end(Exit));
473     bool SplitLatchEdge = false;
474     for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator PI = ExitPreds.begin(),
475                                                  PE = ExitPreds.end();
476          PI != PE; ++PI) {
477       // We only need to split loop exit edges.
478       Loop *PredLoop = LI->getLoopFor(*PI);
479       if (!PredLoop || PredLoop->contains(Exit))
480         continue;
481       SplitLatchEdge |= L->getLoopLatch() == *PI;
482       BasicBlock *ExitSplit = SplitCriticalEdge(*PI, Exit, this);
483       ExitSplit->moveBefore(Exit);
484     }
485     assert(SplitLatchEdge &&
486            "Despite splitting all preds, failed to split latch exit?");
487   } else {
488     // We can fold the conditional branch in the preheader, this makes things
489     // simpler. The first step is to remove the extra edge to the Exit block.
490     Exit->removePredecessor(OrigPreheader, true /*preserve LCSSA*/);
491     BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(NewHeader, PHBI);
492     NewBI->setDebugLoc(PHBI->getDebugLoc());
493     PHBI->eraseFromParent();
494
495     // With our CFG finalized, update DomTree if it is available.
496     if (DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
497             getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>()) {
498       DominatorTree &DT = DTWP->getDomTree();
499       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
500       DT.changeImmediateDominator(NewHeader, OrigPreheader);
501       DT.changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
502
503       // Brute force incremental dominator tree update. Call
504       // findNearestCommonDominator on all CFG predecessors of each child of the
505       // original header.
506       DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT.getNode(OrigHeader);
507       SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
508                                                    OrigHeaderNode->end());
509       bool Changed;
510       do {
511         Changed = false;
512         for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I) {
513           DomTreeNode *Node = HeaderChildren[I];
514           BasicBlock *BB = Node->getBlock();
515
516           pred_iterator PI = pred_begin(BB);
517           BasicBlock *NearestDom = *PI;
518           for (pred_iterator PE = pred_end(BB); PI != PE; ++PI)
519             NearestDom = DT.findNearestCommonDominator(NearestDom, *PI);
520
521           // Remember if this changes the DomTree.
522           if (Node->getIDom()->getBlock() != NearestDom) {
523             DT.changeImmediateDominator(BB, NearestDom);
524             Changed = true;
525           }
526         }
527
528       // If the dominator changed, this may have an effect on other
529       // predecessors, continue until we reach a fixpoint.
530       } while (Changed);
531     }
532   }
533
534   assert(L->getLoopPreheader() && "Invalid loop preheader after loop rotation");
535   assert(L->getLoopLatch() && "Invalid loop latch after loop rotation");
536
537   // Now that the CFG and DomTree are in a consistent state again, try to merge
538   // the OrigHeader block into OrigLatch.  This will succeed if they are
539   // connected by an unconditional branch.  This is just a cleanup so the
540   // emitted code isn't too gross in this common case.
541   MergeBlockIntoPredecessor(OrigHeader, this);
542
543   DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: into "; L->dump());
544
545   ++NumRotated;
546   return true;
547 }