lib/Transforms/Scalar/LoopUnrollPass.cpp

   1 //===-- LoopUnroll.cpp - Loop unroller 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 pass implements a simple loop unroller.  It works best when loops have
  11 // been canonicalized by the -indvars pass, allowing it to determine the trip
  12 // counts of loops easily.
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  16 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
  17 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
  18 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
  19 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  20 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  21 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  22 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  23 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
  24 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  25 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
  26 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  27 #include "llvm/IR/InstVisitor.h"
  28 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  29 #include "llvm/IR/Metadata.h"
  30 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  33 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  34 #include <climits>
  35
  36 using namespace llvm;
  37
  38 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  39
  40 static cl::opt<unsigned>
  41     UnrollThreshold("unroll-threshold", cl::init(150), cl::Hidden,
  42                     cl::desc("The baseline cost threshold for loop unrolling"));
  43
  44 static cl::opt<unsigned> UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold(
  45     "unroll-percent-dynamic-cost-saved-threshold", cl::init(20), cl::Hidden,
  46     cl::desc("The percentage of estimated dynamic cost which must be saved by "
  47              "unrolling to allow unrolling up to the max threshold."));
  48
  49 static cl::opt<unsigned> UnrollDynamicCostSavingsDiscount(
  50     "unroll-dynamic-cost-savings-discount", cl::init(2000), cl::Hidden,
  51     cl::desc("This is the amount discounted from the total unroll cost when "
  52              "the unrolled form has a high dynamic cost savings (triggered by "
  53              "the '-unroll-perecent-dynamic-cost-saved-threshold' flag)."));
  54
  55 static cl::opt<unsigned> UnrollMaxIterationsCountToAnalyze(
  56     "unroll-max-iteration-count-to-analyze", cl::init(0), cl::Hidden,
  57     cl::desc("Don't allow loop unrolling to simulate more than this number of"
  58              "iterations when checking full unroll profitability"));
  59
  60 static cl::opt<unsigned>
  61 UnrollCount("unroll-count", cl::init(0), cl::Hidden,
  62   cl::desc("Use this unroll count for all loops including those with "
  63            "unroll_count pragma values, for testing purposes"));
  64
  65 static cl::opt<bool>
  66 UnrollAllowPartial("unroll-allow-partial", cl::init(false), cl::Hidden,
  67   cl::desc("Allows loops to be partially unrolled until "
  68            "-unroll-threshold loop size is reached."));
  69
  70 static cl::opt<bool>
  71 UnrollRuntime("unroll-runtime", cl::ZeroOrMore, cl::init(false), cl::Hidden,
  72   cl::desc("Unroll loops with run-time trip counts"));
  73
  74 static cl::opt<unsigned>
  75 PragmaUnrollThreshold("pragma-unroll-threshold", cl::init(16 * 1024), cl::Hidden,
  76   cl::desc("Unrolled size limit for loops with an unroll(full) or "
  77            "unroll_count pragma."));
  78
  79 namespace {
  80   class LoopUnroll : public LoopPass {
  81   public:
  82     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
  83     LoopUnroll(int T = -1, int C = -1, int P = -1, int R = -1) : LoopPass(ID) {
  84       CurrentThreshold = (T == -1) ? UnrollThreshold : unsigned(T);
  85       CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold =
  86           UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold;
  87       CurrentDynamicCostSavingsDiscount = UnrollDynamicCostSavingsDiscount;
  88       CurrentCount = (C == -1) ? UnrollCount : unsigned(C);
  89       CurrentAllowPartial = (P == -1) ? UnrollAllowPartial : (bool)P;
  90       CurrentRuntime = (R == -1) ? UnrollRuntime : (bool)R;
  91
  92       UserThreshold = (T != -1) || (UnrollThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  93       UserPercentDynamicCostSavedThreshold =
  94           (UnrollPercentDynamicCostSavedThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  95       UserDynamicCostSavingsDiscount =
  96           (UnrollDynamicCostSavingsDiscount.getNumOccurrences() > 0);
  97       UserAllowPartial = (P != -1) ||
  98                          (UnrollAllowPartial.getNumOccurrences() > 0);
  99       UserRuntime = (R != -1) || (UnrollRuntime.getNumOccurrences() > 0);
 100       UserCount = (C != -1) || (UnrollCount.getNumOccurrences() > 0);
 101
 102       initializeLoopUnrollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 103     }
 104
 105     /// A magic value for use with the Threshold parameter to indicate
 106     /// that the loop unroll should be performed regardless of how much
 107     /// code expansion would result.
 108     static const unsigned NoThreshold = UINT_MAX;
 109
 110     // Threshold to use when optsize is specified (and there is no
 111     // explicit -unroll-threshold).
 112     static const unsigned OptSizeUnrollThreshold = 50;
 113
 114     // Default unroll count for loops with run-time trip count if
 115     // -unroll-count is not set
 116     static const unsigned UnrollRuntimeCount = 8;
 117
 118     unsigned CurrentCount;
 119     unsigned CurrentThreshold;
 120     unsigned CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold;
 121     unsigned CurrentDynamicCostSavingsDiscount;
 122     bool CurrentAllowPartial;
 123     bool CurrentRuntime;
 124
 125     // Flags for whether the 'current' settings are user-specified.
 126     bool UserCount;
 127     bool UserThreshold;
 128     bool UserPercentDynamicCostSavedThreshold;
 129     bool UserDynamicCostSavingsDiscount;
 130     bool UserAllowPartial;
 131     bool UserRuntime;
 132
 133     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
 134
 135     /// This transformation requires natural loop information & requires that
 136     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
 137     ///
 138     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 139       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
 140       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 141       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
 142       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
 143       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
 144       AU.addRequiredID(LCSSAID);
 145       AU.addPreservedID(LCSSAID);
 146       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 147       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
 148       AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
 149       // FIXME: Loop unroll requires LCSSA. And LCSSA requires dom info.
 150       // If loop unroll does not preserve dom info then LCSSA pass on next
 151       // loop will receive invalid dom info.
 152       // For now, recreate dom info, if loop is unrolled.
 153       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
 154     }
 155
 156     // Fill in the UnrollingPreferences parameter with values from the
 157     // TargetTransformationInfo.
 158     void getUnrollingPreferences(Loop *L, const TargetTransformInfo &TTI,
 159                                  TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP) {
 160       UP.Threshold = CurrentThreshold;
 161       UP.PercentDynamicCostSavedThreshold =
 162           CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold;
 163       UP.DynamicCostSavingsDiscount = CurrentDynamicCostSavingsDiscount;
 164       UP.OptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 165       UP.PartialThreshold = CurrentThreshold;
 166       UP.PartialOptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 167       UP.Count = CurrentCount;
 168       UP.MaxCount = UINT_MAX;
 169       UP.Partial = CurrentAllowPartial;
 170       UP.Runtime = CurrentRuntime;
 171       UP.AllowExpensiveTripCount = false;
 172       TTI.getUnrollingPreferences(L, UP);
 173     }
 174
 175     // Select and return an unroll count based on parameters from
 176     // user, unroll preferences, unroll pragmas, or a heuristic.
 177     // SetExplicitly is set to true if the unroll count is is set by
 178     // the user or a pragma rather than selected heuristically.
 179     unsigned
 180     selectUnrollCount(const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 181                       unsigned PragmaCount,
 182                       const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 183                       bool &SetExplicitly);
 184
 185     // Select threshold values used to limit unrolling based on a
 186     // total unrolled size.  Parameters Threshold and PartialThreshold
 187     // are set to the maximum unrolled size for fully and partially
 188     // unrolled loops respectively.
 189     void selectThresholds(const Loop *L, bool HasPragma,
 190                           const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 191                           unsigned &Threshold, unsigned &PartialThreshold,
 192                           unsigned &PercentDynamicCostSavedThreshold,
 193                           unsigned &DynamicCostSavingsDiscount) {
 194       // Determine the current unrolling threshold.  While this is
 195       // normally set from UnrollThreshold, it is overridden to a
 196       // smaller value if the current function is marked as
 197       // optimize-for-size, and the unroll threshold was not user
 198       // specified.
 199       Threshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.Threshold;
 200       PartialThreshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.PartialThreshold;
 201       PercentDynamicCostSavedThreshold =
 202           UserPercentDynamicCostSavedThreshold
 203               ? CurrentPercentDynamicCostSavedThreshold
 204               : UP.PercentDynamicCostSavedThreshold;
 205       DynamicCostSavingsDiscount = UserDynamicCostSavingsDiscount
 206                                        ? CurrentDynamicCostSavingsDiscount
 207                                        : UP.DynamicCostSavingsDiscount;
 208
 209       if (!UserThreshold &&
 210           L->getHeader()->getParent()->hasFnAttribute(
 211               Attribute::OptimizeForSize)) {
 212         Threshold = UP.OptSizeThreshold;
 213         PartialThreshold = UP.PartialOptSizeThreshold;
 214       }
 215       if (HasPragma) {
 216         // If the loop has an unrolling pragma, we want to be more
 217         // aggressive with unrolling limits.  Set thresholds to at
 218         // least the PragmaTheshold value which is larger than the
 219         // default limits.
 220         if (Threshold != NoThreshold)
 221           Threshold = std::max<unsigned>(Threshold, PragmaUnrollThreshold);
 222         if (PartialThreshold != NoThreshold)
 223           PartialThreshold =
 224               std::max<unsigned>(PartialThreshold, PragmaUnrollThreshold);
 225       }
 226     }
 227     bool canUnrollCompletely(Loop *L, unsigned Threshold,
 228                              unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold,
 229                              unsigned DynamicCostSavingsDiscount,
 230                              uint64_t UnrolledCost, uint64_t RolledDynamicCost);
 231   };
 232 }
 233
 234 char LoopUnroll::ID = 0;
 235 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 236 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
 237 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
 238 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 239 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 240 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 241 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 242 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 243
 244 Pass *llvm::createLoopUnrollPass(int Threshold, int Count, int AllowPartial,
 245                                  int Runtime) {
 246   return new LoopUnroll(Threshold, Count, AllowPartial, Runtime);
 247 }
 248
 249 Pass *llvm::createSimpleLoopUnrollPass() {
 250   return llvm::createLoopUnrollPass(-1, -1, 0, 0);
 251 }
 252
 253 namespace {
 254 // This class is used to get an estimate of the optimization effects that we
 255 // could get from complete loop unrolling. It comes from the fact that some
 256 // loads might be replaced with concrete constant values and that could trigger
 257 // a chain of instruction simplifications.
 258 //
 259 // E.g. we might have:
 260 //   int a[] = {0, 1, 0};
 261 //   v = 0;
 262 //   for (i = 0; i < 3; i ++)
 263 //     v += b[i]*a[i];
 264 // If we completely unroll the loop, we would get:
 265 //   v = b[0]*a[0] + b[1]*a[1] + b[2]*a[2]
 266 // Which then will be simplified to:
 267 //   v = b[0]* 0 + b[1]* 1 + b[2]* 0
 268 // And finally:
 269 //   v = b[1]
 270 class UnrolledInstAnalyzer : private InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool> {
 271   typedef InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool> Base;
 272   friend class InstVisitor<UnrolledInstAnalyzer, bool>;
 273   struct SimplifiedAddress {
 274     Value *Base = nullptr;
 275     ConstantInt *Offset = nullptr;
 276   };
 277
 278 public:
 279   UnrolledInstAnalyzer(unsigned Iteration,
 280                        DenseMap<Value *, Constant *> &SimplifiedValues,
 281                        const Loop *L, ScalarEvolution &SE)
 282       : Iteration(Iteration), SimplifiedValues(SimplifiedValues), L(L), SE(SE) {
 283       IterationNumber = SE.getConstant(APInt(64, Iteration));
 284   }
 285
 286   // Allow access to the initial visit method.
 287   using Base::visit;
 288
 289 private:
 290   /// \brief A cache of pointer bases and constant-folded offsets corresponding
 291   /// to GEP (or derived from GEP) instructions.
 292   ///
 293   /// In order to find the base pointer one needs to perform non-trivial
 294   /// traversal of the corresponding SCEV expression, so it's good to have the
 295   /// results saved.
 296   DenseMap<Value *, SimplifiedAddress> SimplifiedAddresses;
 297
 298   /// \brief Number of currently simulated iteration.
 299   ///
 300   /// If an expression is ConstAddress+Constant, then the Constant is
 301   /// Start + Iteration*Step, where Start and Step could be obtained from
 302   /// SCEVGEPCache.
 303   unsigned Iteration;
 304
 305   /// \brief SCEV expression corresponding to number of currently simulated
 306   /// iteration.
 307   const SCEV *IterationNumber;
 308
 309   /// \brief A Value->Constant map for keeping values that we managed to
 310   /// constant-fold on the given iteration.
 311   ///
 312   /// While we walk the loop instructions, we build up and maintain a mapping
 313   /// of simplified values specific to this iteration.  The idea is to propagate
 314   /// any special information we have about loads that can be replaced with
 315   /// constants after complete unrolling, and account for likely simplifications
 316   /// post-unrolling.
 317   DenseMap<Value *, Constant *> &SimplifiedValues;
 318
 319   const Loop *L;
 320   ScalarEvolution &SE;
 321
 322   /// \brief Try to simplify instruction \param I using its SCEV expression.
 323   ///
 324   /// The idea is that some AddRec expressions become constants, which then
 325   /// could trigger folding of other instructions. However, that only happens
 326   /// for expressions whose start value is also constant, which isn't always the
 327   /// case. In another common and important case the start value is just some
 328   /// address (i.e. SCEVUnknown) - in this case we compute the offset and save
 329   /// it along with the base address instead.
 330   bool simplifyInstWithSCEV(Instruction *I) {
 331     if (!SE.isSCEVable(I->getType()))
 332       return false;
 333
 334     const SCEV *S = SE.getSCEV(I);
 335     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
 336       SimplifiedValues[I] = SC->getValue();
 337       return true;
 338     }
 339
 340     auto *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S);
 341     if (!AR)
 342       return false;
 343
 344     const SCEV *ValueAtIteration = AR->evaluateAtIteration(IterationNumber, SE);
 345     // Check if the AddRec expression becomes a constant.
 346     if (auto *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ValueAtIteration)) {
 347       SimplifiedValues[I] = SC->getValue();
 348       return true;
 349     }
 350
 351     // Check if the offset from the base address becomes a constant.
 352     auto *Base = dyn_cast<SCEVUnknown>(SE.getPointerBase(S));
 353     if (!Base)
 354       return false;
 355     auto *Offset =
 356         dyn_cast<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(ValueAtIteration, Base));
 357     if (!Offset)
 358       return false;
 359     SimplifiedAddress Address;
 360     Address.Base = Base->getValue();
 361     Address.Offset = Offset->getValue();
 362     SimplifiedAddresses[I] = Address;
 363     return true;
 364   }
 365
 366   /// Base case for the instruction visitor.
 367   bool visitInstruction(Instruction &I) {
 368     return simplifyInstWithSCEV(&I);
 369   }
 370
 371   /// Try to simplify binary operator I.
 372   ///
 373   /// TODO: Probaly it's worth to hoist the code for estimating the
 374   /// simplifications effects to a separate class, since we have a very similar
 375   /// code in InlineCost already.
 376   bool visitBinaryOperator(BinaryOperator &I) {
 377     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 378     if (!isa<Constant>(LHS))
 379       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 380         LHS = SimpleLHS;
 381     if (!isa<Constant>(RHS))
 382       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 383         RHS = SimpleRHS;
 384
 385     Value *SimpleV = nullptr;
 386     const DataLayout &DL = I.getModule()->getDataLayout();
 387     if (auto FI = dyn_cast<FPMathOperator>(&I))
 388       SimpleV =
 389           SimplifyFPBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, FI->getFastMathFlags(), DL);
 390     else
 391       SimpleV = SimplifyBinOp(I.getOpcode(), LHS, RHS, DL);
 392
 393     if (Constant *C = dyn_cast_or_null<Constant>(SimpleV))
 394       SimplifiedValues[&I] = C;
 395
 396     if (SimpleV)
 397       return true;
 398     return Base::visitBinaryOperator(I);
 399   }
 400
 401   /// Try to fold load I.
 402   bool visitLoad(LoadInst &I) {
 403     Value *AddrOp = I.getPointerOperand();
 404
 405     auto AddressIt = SimplifiedAddresses.find(AddrOp);
 406     if (AddressIt == SimplifiedAddresses.end())
 407       return false;
 408     ConstantInt *SimplifiedAddrOp = AddressIt->second.Offset;
 409
 410     auto *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(AddressIt->second.Base);
 411     // We're only interested in loads that can be completely folded to a
 412     // constant.
 413     if (!GV || !GV->hasInitializer())
 414       return false;
 415
 416     ConstantDataSequential *CDS =
 417         dyn_cast<ConstantDataSequential>(GV->getInitializer());
 418     if (!CDS)
 419       return false;
 420
 421     int ElemSize = CDS->getElementType()->getPrimitiveSizeInBits() / 8U;
 422     assert(SimplifiedAddrOp->getValue().getActiveBits() < 64 &&
 423            "Unexpectedly large index value.");
 424     int64_t Index = SimplifiedAddrOp->getSExtValue() / ElemSize;
 425     if (Index >= CDS->getNumElements()) {
 426       // FIXME: For now we conservatively ignore out of bound accesses, but
 427       // we're allowed to perform the optimization in this case.
 428       return false;
 429     }
 430
 431     Constant *CV = CDS->getElementAsConstant(Index);
 432     assert(CV && "Constant expected.");
 433     SimplifiedValues[&I] = CV;
 434
 435     return true;
 436   }
 437
 438   bool visitCastInst(CastInst &I) {
 439     // Propagate constants through casts.
 440     Constant *COp = dyn_cast<Constant>(I.getOperand(0));
 441     if (!COp)
 442       COp = SimplifiedValues.lookup(I.getOperand(0));
 443     if (COp)
 444       if (Constant *C =
 445               ConstantExpr::getCast(I.getOpcode(), COp, I.getType())) {
 446         SimplifiedValues[&I] = C;
 447         return true;
 448       }
 449
 450     return Base::visitCastInst(I);
 451   }
 452
 453   bool visitCmpInst(CmpInst &I) {
 454     Value *LHS = I.getOperand(0), *RHS = I.getOperand(1);
 455
 456     // First try to handle simplified comparisons.
 457     if (!isa<Constant>(LHS))
 458       if (Constant *SimpleLHS = SimplifiedValues.lookup(LHS))
 459         LHS = SimpleLHS;
 460     if (!isa<Constant>(RHS))
 461       if (Constant *SimpleRHS = SimplifiedValues.lookup(RHS))
 462         RHS = SimpleRHS;
 463
 464     if (!isa<Constant>(LHS) && !isa<Constant>(RHS)) {
 465       auto SimplifiedLHS = SimplifiedAddresses.find(LHS);
 466       if (SimplifiedLHS != SimplifiedAddresses.end()) {
 467         auto SimplifiedRHS = SimplifiedAddresses.find(RHS);
 468         if (SimplifiedRHS != SimplifiedAddresses.end()) {
 469           SimplifiedAddress &LHSAddr = SimplifiedLHS->second;
 470           SimplifiedAddress &RHSAddr = SimplifiedRHS->second;
 471           if (LHSAddr.Base == RHSAddr.Base) {
 472             LHS = LHSAddr.Offset;
 473             RHS = RHSAddr.Offset;
 474           }
 475         }
 476       }
 477     }
 478
 479     if (Constant *CLHS = dyn_cast<Constant>(LHS)) {
 480       if (Constant *CRHS = dyn_cast<Constant>(RHS)) {
 481         if (Constant *C = ConstantExpr::getCompare(I.getPredicate(), CLHS, CRHS)) {
 482           SimplifiedValues[&I] = C;
 483           return true;
 484         }
 485       }
 486     }
 487
 488     return Base::visitCmpInst(I);
 489   }
 490 };
 491 } // namespace
 492
 493
 494 namespace {
 495 struct EstimatedUnrollCost {
 496   /// \brief The estimated cost after unrolling.
 497   unsigned UnrolledCost;
 498
 499   /// \brief The estimated dynamic cost of executing the instructions in the
 500   /// rolled form.
 501   unsigned RolledDynamicCost;
 502 };
 503 }
 504
 505 /// \brief Figure out if the loop is worth full unrolling.
 506 ///
 507 /// Complete loop unrolling can make some loads constant, and we need to know
 508 /// if that would expose any further optimization opportunities.  This routine
 509 /// estimates this optimization.  It computes cost of unrolled loop
 510 /// (UnrolledCost) and dynamic cost of the original loop (RolledDynamicCost). By
 511 /// dynamic cost we mean that we won't count costs of blocks that are known not
 512 /// to be executed (i.e. if we have a branch in the loop and we know that at the
 513 /// given iteration its condition would be resolved to true, we won't add up the
 514 /// cost of the 'false'-block).
 515 /// \returns Optional value, holding the RolledDynamicCost and UnrolledCost. If
 516 /// the analysis failed (no benefits expected from the unrolling, or the loop is
 517 /// too big to analyze), the returned value is None.
 518 Optional<EstimatedUnrollCost>
 519 analyzeLoopUnrollCost(const Loop *L, unsigned TripCount, ScalarEvolution &SE,
 520                       const TargetTransformInfo &TTI,
 521                       unsigned MaxUnrolledLoopSize) {
 522   // We want to be able to scale offsets by the trip count and add more offsets
 523   // to them without checking for overflows, and we already don't want to
 524   // analyze *massive* trip counts, so we force the max to be reasonably small.
 525   assert(UnrollMaxIterationsCountToAnalyze < (INT_MAX / 2) &&
 526          "The unroll iterations max is too large!");
 527
 528   // Don't simulate loops with a big or unknown tripcount
 529   if (!UnrollMaxIterationsCountToAnalyze || !TripCount ||
 530       TripCount > UnrollMaxIterationsCountToAnalyze)
 531     return None;
 532
 533   SmallSetVector<BasicBlock *, 16> BBWorklist;
 534   DenseMap<Value *, Constant *> SimplifiedValues;
 535
 536   // The estimated cost of the unrolled form of the loop. We try to estimate
 537   // this by simplifying as much as we can while computing the estimate.
 538   unsigned UnrolledCost = 0;
 539   // We also track the estimated dynamic (that is, actually executed) cost in
 540   // the rolled form. This helps identify cases when the savings from unrolling
 541   // aren't just exposing dead control flows, but actual reduced dynamic
 542   // instructions due to the simplifications which we expect to occur after
 543   // unrolling.
 544   unsigned RolledDynamicCost = 0;
 545
 546   DEBUG(dbgs() << "Starting LoopUnroll profitability analysis...\n");
 547
 548   // Simulate execution of each iteration of the loop counting instructions,
 549   // which would be simplified.
 550   // Since the same load will take different values on different iterations,
 551   // we literally have to go through all loop's iterations.
 552   for (unsigned Iteration = 0; Iteration < TripCount; ++Iteration) {
 553     DEBUG(dbgs() << " Analyzing iteration " << Iteration << "\n");
 554     SimplifiedValues.clear();
 555     UnrolledInstAnalyzer Analyzer(Iteration, SimplifiedValues, L, SE);
 556
 557     BBWorklist.clear();
 558     BBWorklist.insert(L->getHeader());
 559     // Note that we *must not* cache the size, this loop grows the worklist.
 560     for (unsigned Idx = 0; Idx != BBWorklist.size(); ++Idx) {
 561       BasicBlock *BB = BBWorklist[Idx];
 562
 563       // Visit all instructions in the given basic block and try to simplify
 564       // it.  We don't change the actual IR, just count optimization
 565       // opportunities.
 566       for (Instruction &I : *BB) {
 567         unsigned InstCost = TTI.getUserCost(&I);
 568
 569         // Visit the instruction to analyze its loop cost after unrolling,
 570         // and if the visitor returns false, include this instruction in the
 571         // unrolled cost.
 572         if (!Analyzer.visit(I))
 573           UnrolledCost += InstCost;
 574         else {
 575           DEBUG(dbgs() << "  " << I
 576                        << " would be simplified if loop is unrolled.\n");
 577           (void)0;
 578         }
 579
 580         // Also track this instructions expected cost when executing the rolled
 581         // loop form.
 582         RolledDynamicCost += InstCost;
 583
 584         // If unrolled body turns out to be too big, bail out.
 585         if (UnrolledCost > MaxUnrolledLoopSize) {
 586           DEBUG(dbgs() << "  Exceeded threshold.. exiting.\n"
 587                        << "  UnrolledCost: " << UnrolledCost
 588                        << ", MaxUnrolledLoopSize: " << MaxUnrolledLoopSize
 589                        << "\n");
 590           return None;
 591         }
 592       }
 593
 594       TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
 595
 596       // Add in the live successors by first checking whether we have terminator
 597       // that may be simplified based on the values simplified by this call.
 598       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
 599         if (BI->isConditional()) {
 600           if (Constant *SimpleCond =
 601                   SimplifiedValues.lookup(BI->getCondition())) {
 602             BasicBlock *Succ = nullptr;
 603             // Just take the first successor if condition is undef
 604             if (isa<UndefValue>(SimpleCond))
 605               Succ = BI->getSuccessor(0);
 606             else
 607               Succ = BI->getSuccessor(
 608                   cast<ConstantInt>(SimpleCond)->isZero() ? 1 : 0);
 609             if (L->contains(Succ))
 610               BBWorklist.insert(Succ);
 611             continue;
 612           }
 613         }
 614       } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
 615         if (Constant *SimpleCond =
 616                 SimplifiedValues.lookup(SI->getCondition())) {
 617           BasicBlock *Succ = nullptr;
 618           // Just take the first successor if condition is undef
 619           if (isa<UndefValue>(SimpleCond))
 620             Succ = SI->getSuccessor(0);
 621           else
 622             Succ = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(SimpleCond))
 623                        .getCaseSuccessor();
 624           if (L->contains(Succ))
 625             BBWorklist.insert(Succ);
 626           continue;
 627         }
 628       }
 629
 630       // Add BB's successors to the worklist.
 631       for (BasicBlock *Succ : successors(BB))
 632         if (L->contains(Succ))
 633           BBWorklist.insert(Succ);
 634     }
 635
 636     // If we found no optimization opportunities on the first iteration, we
 637     // won't find them on later ones too.
 638     if (UnrolledCost == RolledDynamicCost) {
 639       DEBUG(dbgs() << "  No opportunities found.. exiting.\n"
 640                    << "  UnrolledCost: " << UnrolledCost << "\n");
 641       return None;
 642     }
 643   }
 644   DEBUG(dbgs() << "Analysis finished:\n"
 645                << "UnrolledCost: " << UnrolledCost << ", "
 646                << "RolledDynamicCost: " << RolledDynamicCost << "\n");
 647   return {{UnrolledCost, RolledDynamicCost}};
 648 }
 649
 650 /// ApproximateLoopSize - Approximate the size of the loop.
 651 static unsigned ApproximateLoopSize(const Loop *L, unsigned &NumCalls,
 652                                     bool &NotDuplicatable,
 653                                     const TargetTransformInfo &TTI,
 654                                     AssumptionCache *AC) {
 655   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
 656   CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
 657
 658   CodeMetrics Metrics;
 659   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
 660        I != E; ++I)
 661     Metrics.analyzeBasicBlock(*I, TTI, EphValues);
 662   NumCalls = Metrics.NumInlineCandidates;
 663   NotDuplicatable = Metrics.notDuplicatable;
 664
 665   unsigned LoopSize = Metrics.NumInsts;
 666
 667   // Don't allow an estimate of size zero.  This would allows unrolling of loops
 668   // with huge iteration counts, which is a compile time problem even if it's
 669   // not a problem for code quality. Also, the code using this size may assume
 670   // that each loop has at least three instructions (likely a conditional
 671   // branch, a comparison feeding that branch, and some kind of loop increment
 672   // feeding that comparison instruction).
 673   LoopSize = std::max(LoopSize, 3u);
 674
 675   return LoopSize;
 676 }
 677
 678 // Returns the loop hint metadata node with the given name (for example,
 679 // "llvm.loop.unroll.count").  If no such metadata node exists, then nullptr is
 680 // returned.
 681 static MDNode *GetUnrollMetadataForLoop(const Loop *L, StringRef Name) {
 682   if (MDNode *LoopID = L->getLoopID())
 683     return GetUnrollMetadata(LoopID, Name);
 684   return nullptr;
 685 }
 686
 687 // Returns true if the loop has an unroll(full) pragma.
 688 static bool HasUnrollFullPragma(const Loop *L) {
 689   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.full");
 690 }
 691
 692 // Returns true if the loop has an unroll(disable) pragma.
 693 static bool HasUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 694   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.disable");
 695 }
 696
 697 // Returns true if the loop has an runtime unroll(disable) pragma.
 698 static bool HasRuntimeUnrollDisablePragma(const Loop *L) {
 699   return GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.runtime.disable");
 700 }
 701
 702 // If loop has an unroll_count pragma return the (necessarily
 703 // positive) value from the pragma.  Otherwise return 0.
 704 static unsigned UnrollCountPragmaValue(const Loop *L) {
 705   MDNode *MD = GetUnrollMetadataForLoop(L, "llvm.loop.unroll.count");
 706   if (MD) {
 707     assert(MD->getNumOperands() == 2 &&
 708            "Unroll count hint metadata should have two operands.");
 709     unsigned Count =
 710         mdconst::extract<ConstantInt>(MD->getOperand(1))->getZExtValue();
 711     assert(Count >= 1 && "Unroll count must be positive.");
 712     return Count;
 713   }
 714   return 0;
 715 }
 716
 717 // Remove existing unroll metadata and add unroll disable metadata to
 718 // indicate the loop has already been unrolled.  This prevents a loop
 719 // from being unrolled more than is directed by a pragma if the loop
 720 // unrolling pass is run more than once (which it generally is).
 721 static void SetLoopAlreadyUnrolled(Loop *L) {
 722   MDNode *LoopID = L->getLoopID();
 723   if (!LoopID) return;
 724
 725   // First remove any existing loop unrolling metadata.
 726   SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
 727   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
 728   MDs.push_back(nullptr);
 729   for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
 730     bool IsUnrollMetadata = false;
 731     MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
 732     if (MD) {
 733       const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
 734       IsUnrollMetadata = S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.");
 735     }
 736     if (!IsUnrollMetadata)
 737       MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
 738   }
 739
 740   // Add unroll(disable) metadata to disable future unrolling.
 741   LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
 742   SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
 743   DisableOperands.push_back(MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable"));
 744   MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
 745   MDs.push_back(DisableNode);
 746
 747   MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
 748   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
 749   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
 750   L->setLoopID(NewLoopID);
 751 }
 752
 753 bool LoopUnroll::canUnrollCompletely(Loop *L, unsigned Threshold,
 754                                      unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold,
 755                                      unsigned DynamicCostSavingsDiscount,
 756                                      uint64_t UnrolledCost,
 757                                      uint64_t RolledDynamicCost) {
 758
 759   if (Threshold == NoThreshold) {
 760     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because no threshold is set.\n");
 761     return true;
 762   }
 763
 764   if (UnrolledCost <= Threshold) {
 765     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolled cost: "
 766                  << UnrolledCost << "<" << Threshold << "\n");
 767     return true;
 768   }
 769
 770   assert(UnrolledCost && "UnrolledCost can't be 0 at this point.");
 771   assert(RolledDynamicCost >= UnrolledCost &&
 772          "Cannot have a higher unrolled cost than a rolled cost!");
 773
 774   // Compute the percentage of the dynamic cost in the rolled form that is
 775   // saved when unrolled. If unrolling dramatically reduces the estimated
 776   // dynamic cost of the loop, we use a higher threshold to allow more
 777   // unrolling.
 778   unsigned PercentDynamicCostSaved =
 779       (uint64_t)(RolledDynamicCost - UnrolledCost) * 100ull / RolledDynamicCost;
 780
 781   if (PercentDynamicCostSaved >= PercentDynamicCostSavedThreshold &&
 782       (int64_t)UnrolledCost - (int64_t)DynamicCostSavingsDiscount <=
 783           (int64_t)Threshold) {
 784     DEBUG(dbgs() << "  Can fully unroll, because unrolling will reduce the "
 785                     "expected dynamic cost by " << PercentDynamicCostSaved
 786                  << "% (threshold: " << PercentDynamicCostSavedThreshold
 787                  << "%)\n"
 788                  << "  and the unrolled cost (" << UnrolledCost
 789                  << ") is less than the max threshold ("
 790                  << DynamicCostSavingsDiscount << ").\n");
 791     return true;
 792   }
 793
 794   DEBUG(dbgs() << "  Too large to fully unroll:\n");
 795   DEBUG(dbgs() << "    Threshold: " << Threshold << "\n");
 796   DEBUG(dbgs() << "    Max threshold: " << DynamicCostSavingsDiscount << "\n");
 797   DEBUG(dbgs() << "    Percent cost saved threshold: "
 798                << PercentDynamicCostSavedThreshold << "%\n");
 799   DEBUG(dbgs() << "    Unrolled cost: " << UnrolledCost << "\n");
 800   DEBUG(dbgs() << "    Rolled dynamic cost: " << RolledDynamicCost << "\n");
 801   DEBUG(dbgs() << "    Percent cost saved: " << PercentDynamicCostSaved
 802                << "\n");
 803   return false;
 804 }
 805
 806 unsigned LoopUnroll::selectUnrollCount(
 807     const Loop *L, unsigned TripCount, bool PragmaFullUnroll,
 808     unsigned PragmaCount, const TargetTransformInfo::UnrollingPreferences &UP,
 809     bool &SetExplicitly) {
 810   SetExplicitly = true;
 811
 812   // User-specified count (either as a command-line option or
 813   // constructor parameter) has highest precedence.
 814   unsigned Count = UserCount ? CurrentCount : 0;
 815
 816   // If there is no user-specified count, unroll pragmas have the next
 817   // highest precendence.
 818   if (Count == 0) {
 819     if (PragmaCount) {
 820       Count = PragmaCount;
 821     } else if (PragmaFullUnroll) {
 822       Count = TripCount;
 823     }
 824   }
 825
 826   if (Count == 0)
 827     Count = UP.Count;
 828
 829   if (Count == 0) {
 830     SetExplicitly = false;
 831     if (TripCount == 0)
 832       // Runtime trip count.
 833       Count = UnrollRuntimeCount;
 834     else
 835       // Conservative heuristic: if we know the trip count, see if we can
 836       // completely unroll (subject to the threshold, checked below); otherwise
 837       // try to find greatest modulo of the trip count which is still under
 838       // threshold value.
 839       Count = TripCount;
 840   }
 841   if (TripCount && Count > TripCount)
 842     return TripCount;
 843   return Count;
 844 }
 845
 846 bool LoopUnroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 847   if (skipOptnoneFunction(L))
 848     return false;
 849
 850   Function &F = *L->getHeader()->getParent();
 851
 852   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 853   ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 854   const TargetTransformInfo &TTI =
 855       getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
 856   auto &AC = getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
 857
 858   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 859   DEBUG(dbgs() << "Loop Unroll: F[" << Header->getParent()->getName()
 860         << "] Loop %" << Header->getName() << "\n");
 861
 862   if (HasUnrollDisablePragma(L)) {
 863     return false;
 864   }
 865   bool PragmaFullUnroll = HasUnrollFullPragma(L);
 866   unsigned PragmaCount = UnrollCountPragmaValue(L);
 867   bool HasPragma = PragmaFullUnroll || PragmaCount > 0;
 868
 869   TargetTransformInfo::UnrollingPreferences UP;
 870   getUnrollingPreferences(L, TTI, UP);
 871
 872   // Find trip count and trip multiple if count is not available
 873   unsigned TripCount = 0;
 874   unsigned TripMultiple = 1;
 875   // If there are multiple exiting blocks but one of them is the latch, use the
 876   // latch for the trip count estimation. Otherwise insist on a single exiting
 877   // block for the trip count estimation.
 878   BasicBlock *ExitingBlock = L->getLoopLatch();
 879   if (!ExitingBlock || !L->isLoopExiting(ExitingBlock))
 880     ExitingBlock = L->getExitingBlock();
 881   if (ExitingBlock) {
 882     TripCount = SE->getSmallConstantTripCount(L, ExitingBlock);
 883     TripMultiple = SE->getSmallConstantTripMultiple(L, ExitingBlock);
 884   }
 885
 886   // Select an initial unroll count.  This may be reduced later based
 887   // on size thresholds.
 888   bool CountSetExplicitly;
 889   unsigned Count = selectUnrollCount(L, TripCount, PragmaFullUnroll,
 890                                      PragmaCount, UP, CountSetExplicitly);
 891
 892   unsigned NumInlineCandidates;
 893   bool notDuplicatable;
 894   unsigned LoopSize =
 895       ApproximateLoopSize(L, NumInlineCandidates, notDuplicatable, TTI, &AC);
 896   DEBUG(dbgs() << "  Loop Size = " << LoopSize << "\n");
 897
 898   // When computing the unrolled size, note that the conditional branch on the
 899   // backedge and the comparison feeding it are not replicated like the rest of
 900   // the loop body (which is why 2 is subtracted).
 901   uint64_t UnrolledSize = (uint64_t)(LoopSize-2) * Count + 2;
 902   if (notDuplicatable) {
 903     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop which contains non-duplicatable"
 904                  << " instructions.\n");
 905     return false;
 906   }
 907   if (NumInlineCandidates != 0) {
 908     DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop with inlinable calls.\n");
 909     return false;
 910   }
 911
 912   unsigned Threshold, PartialThreshold;
 913   unsigned PercentDynamicCostSavedThreshold;
 914   unsigned DynamicCostSavingsDiscount;
 915   selectThresholds(L, HasPragma, UP, Threshold, PartialThreshold,
 916                    PercentDynamicCostSavedThreshold,
 917                    DynamicCostSavingsDiscount);
 918
 919   // Given Count, TripCount and thresholds determine the type of
 920   // unrolling which is to be performed.
 921   enum { Full = 0, Partial = 1, Runtime = 2 };
 922   int Unrolling;
 923   if (TripCount && Count == TripCount) {
 924     Unrolling = Partial;
 925     // If the loop is really small, we don't need to run an expensive analysis.
 926     if (canUnrollCompletely(L, Threshold, 100, DynamicCostSavingsDiscount,
 927                             UnrolledSize, UnrolledSize)) {
 928       Unrolling = Full;
 929     } else {
 930       // The loop isn't that small, but we still can fully unroll it if that
 931       // helps to remove a significant number of instructions.
 932       // To check that, run additional analysis on the loop.
 933       if (Optional<EstimatedUnrollCost> Cost = analyzeLoopUnrollCost(
 934               L, TripCount, *SE, TTI, Threshold + DynamicCostSavingsDiscount))
 935         if (canUnrollCompletely(L, Threshold, PercentDynamicCostSavedThreshold,
 936                                 DynamicCostSavingsDiscount, Cost->UnrolledCost,
 937                                 Cost->RolledDynamicCost)) {
 938           Unrolling = Full;
 939         }
 940     }
 941   } else if (TripCount && Count < TripCount) {
 942     Unrolling = Partial;
 943   } else {
 944     Unrolling = Runtime;
 945   }
 946
 947   // Reduce count based on the type of unrolling and the threshold values.
 948   unsigned OriginalCount = Count;
 949   bool AllowRuntime =
 950       (PragmaCount > 0) || (UserRuntime ? CurrentRuntime : UP.Runtime);
 951   // Don't unroll a runtime trip count loop with unroll full pragma.
 952   if (HasRuntimeUnrollDisablePragma(L) || PragmaFullUnroll) {
 953     AllowRuntime = false;
 954   }
 955   if (Unrolling == Partial) {
 956     bool AllowPartial = UserAllowPartial ? CurrentAllowPartial : UP.Partial;
 957     if (!AllowPartial && !CountSetExplicitly) {
 958       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll partially because "
 959                    << "-unroll-allow-partial not given\n");
 960       return false;
 961     }
 962     if (PartialThreshold != NoThreshold && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 963       // Reduce unroll count to be modulo of TripCount for partial unrolling.
 964       Count = (std::max(PartialThreshold, 3u)-2) / (LoopSize-2);
 965       while (Count != 0 && TripCount % Count != 0)
 966         Count--;
 967     }
 968   } else if (Unrolling == Runtime) {
 969     if (!AllowRuntime && !CountSetExplicitly) {
 970       DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll loop with runtime trip count "
 971                    << "-unroll-runtime not given\n");
 972       return false;
 973     }
 974     // Reduce unroll count to be the largest power-of-two factor of
 975     // the original count which satisfies the threshold limit.
 976     while (Count != 0 && UnrolledSize > PartialThreshold) {
 977       Count >>= 1;
 978       UnrolledSize = (LoopSize-2) * Count + 2;
 979     }
 980     if (Count > UP.MaxCount)
 981       Count = UP.MaxCount;
 982     DEBUG(dbgs() << "  partially unrolling with count: " << Count << "\n");
 983   }
 984
 985   if (HasPragma) {
 986     if (PragmaCount != 0)
 987       // If loop has an unroll count pragma mark loop as unrolled to prevent
 988       // unrolling beyond that requested by the pragma.
 989       SetLoopAlreadyUnrolled(L);
 990
 991     // Emit optimization remarks if we are unable to unroll the loop
 992     // as directed by a pragma.
 993     DebugLoc LoopLoc = L->getStartLoc();
 994     Function *F = Header->getParent();
 995     LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 996     if (PragmaFullUnroll && PragmaCount == 0) {
 997       if (TripCount && Count != TripCount) {
 998         emitOptimizationRemarkMissed(
 999             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
1000             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
1001             "because unrolled size is too large.");
1002       } else if (!TripCount) {
1003         emitOptimizationRemarkMissed(
1004             Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
1005             "Unable to fully unroll loop as directed by unroll(full) pragma "
1006             "because loop has a runtime trip count.");
1007       }
1008     } else if (PragmaCount > 0 && Count != OriginalCount) {
1009       emitOptimizationRemarkMissed(
1010           Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
1011           "Unable to unroll loop the number of times directed by "
1012           "unroll_count pragma because unrolled size is too large.");
1013     }
1014   }
1015
1016   if (Unrolling != Full && Count < 2) {
1017     // Partial unrolling by 1 is a nop.  For full unrolling, a factor
1018     // of 1 makes sense because loop control can be eliminated.
1019     return false;
1020   }
1021
1022   // Unroll the loop.
1023   if (!UnrollLoop(L, Count, TripCount, AllowRuntime, UP.AllowExpensiveTripCount,
1024                   TripMultiple, LI, this, &LPM, &AC))
1025     return false;
1026
1027   return true;
1028 }