Don't use PassInfo* as a type identifier for passes. Instead, use the address of...
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
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 transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/Function.h"
34 #include "llvm/Instructions.h"
35 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
36 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
37 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
44 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
45 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
46 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <set>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
55 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
56 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
57 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
58 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
59
60 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
61 // few specific examples.
62 static cl::opt<unsigned>
63 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
64           cl::init(50), cl::Hidden);
65   
66 namespace {
67   class LoopUnswitch : public LoopPass {
68     LoopInfo *LI;  // Loop information
69     LPPassManager *LPM;
70
71     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
72     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
73     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
74     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
75     
76     bool OptimizeForSize;
77     bool redoLoop;
78
79     Loop *currentLoop;
80     DominanceFrontier *DF;
81     DominatorTree *DT;
82     BasicBlock *loopHeader;
83     BasicBlock *loopPreheader;
84     
85     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
86     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
87     // loop, in that order.
88     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
89     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
90     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
91
92   public:
93     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
94     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
95       LoopPass(ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
96       currentLoop(NULL), DF(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
97       loopPreheader(NULL) {}
98
99     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
100     bool processCurrentLoop();
101
102     /// This transformation requires natural loop information & requires that
103     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
104     ///
105     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
106       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
107       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
108       AU.addRequired<LoopInfo>();
109       AU.addPreserved<LoopInfo>();
110       AU.addRequiredID(LCSSAID);
111       AU.addPreservedID(LCSSAID);
112       AU.addPreserved<DominatorTree>();
113       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
114     }
115
116   private:
117
118     virtual void releaseMemory() {
119       UnswitchedVals.clear();
120     }
121
122     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
123     /// remove it.
124     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
125       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
126                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
127       if (I != LoopProcessWorklist.end())
128         LoopProcessWorklist.erase(I);
129     }
130
131     void initLoopData() {
132       loopHeader = currentLoop->getHeader();
133       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
134     }
135
136     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
137     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
138     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
139
140     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
141     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
142                                   BasicBlock *ExitBlock);
143     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
144
145     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
146                                               Constant *Val, bool isEqual);
147
148     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
149                                         BasicBlock *TrueDest, 
150                                         BasicBlock *FalseDest,
151                                         Instruction *InsertPt);
152
153     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
154     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
155                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
156     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
157     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
158                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
159
160   };
161 }
162 char LoopUnswitch::ID = 0;
163 INITIALIZE_PASS(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops", false, false);
164
165 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
166   return new LoopUnswitch(Os); 
167 }
168
169 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
170 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
171 /// Otherwise, return null.
172 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
173   // We can never unswitch on vector conditions.
174   if (Cond->getType()->isVectorTy())
175     return 0;
176
177   // Constants should be folded, not unswitched on!
178   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
179
180   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
181
182   // Hoist simple values out.
183   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
184     return Cond;
185
186   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
187     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
188         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
189       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
190       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
191       // simplify in the other one.
192       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
193         return LHS;
194       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
195         return RHS;
196     }
197   
198   return 0;
199 }
200
201 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
202   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
203   LPM = &LPM_Ref;
204   DF = getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>();
205   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
206   currentLoop = L;
207   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
208   bool Changed = false;
209   do {
210     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
211     redoLoop = false;
212     Changed |= processCurrentLoop();
213   } while(redoLoop);
214
215   if (Changed) {
216     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
217     if (DT)
218       DT->runOnFunction(*F);
219     if (DF)
220       DF->runOnFunction(*F);
221   }
222   return Changed;
223 }
224
225 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
226 /// and profitable.
227 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
228   bool Changed = false;
229   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
230
231   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
232   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
233   // loop.
234   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
235          E = currentLoop->block_end(); I != E; ++I) {
236     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
237     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
238       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
239       // it.
240       if (BI->isConditional()) {
241         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
242         // unswitch on it if we desire.
243         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
244                                                currentLoop, Changed);
245         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
246                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
247           ++NumBranches;
248           return true;
249         }
250       }      
251     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
252       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
253                                              currentLoop, Changed);
254       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
255         // Find a value to unswitch on:
256         // FIXME: this should chose the most expensive case!
257         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
258         // Do not process same value again and again.
259         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
260           continue;
261
262         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
263           ++NumSwitches;
264           return true;
265         }
266       }
267     }
268     
269     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
270     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
271          BBI != E; ++BBI)
272       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
273         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
274                                                currentLoop, Changed);
275         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
276                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
277           ++NumSelects;
278           return true;
279         }
280       }
281   }
282   return Changed;
283 }
284
285 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
286 ///   1. Exit the loop with no side effects.
287 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
288 ///
289 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
290 /// exit through.
291 ///
292 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
293                                          BasicBlock *&ExitBB,
294                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
295   if (!Visited.insert(BB).second) {
296     // Already visited and Ok, end of recursion.
297     return true;
298   } else if (!L->contains(BB)) {
299     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
300     // first exit.
301     if (ExitBB != 0) return false;
302     ExitBB = BB;
303     return true;
304   }
305   
306   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
307   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
308     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
309     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
310       return false;
311   }
312
313   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
314   // doesn't include any side effects.
315   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
316     if (I->mayHaveSideEffects())
317       return false;
318   
319   return true;
320 }
321
322 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
323 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
324 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
325 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
326   std::set<BasicBlock*> Visited;
327   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
328   BasicBlock *ExitBB = 0;
329   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
330     return ExitBB;
331   return 0;
332 }
333
334 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
335 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
336 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
337 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
338 /// loop, which gets deleted).
339 ///
340 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
341 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
342 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
343 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
344 /// Cond == Val.
345 ///
346 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
347                                        BasicBlock **LoopExit) {
348   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
349   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
350   LLVMContext &Context = Header->getContext();
351   
352   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
353   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
354     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
355     // can't handle it.
356     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
357       return false;
358   
359     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
360     // latch block or exit through a one exit block without having any 
361     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
362     // this.
363     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
364                                              BI->getSuccessor(0)))) {
365       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
366     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
367                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
368       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
369     }
370   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
371     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
372     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
373     
374     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
375     // latch block or exit through a one exit block without having any 
376     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
377     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
378     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
379       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
380                                                SI->getSuccessor(i)))) {
381         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
382         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
383         break;
384       }
385   }
386
387   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
388   // contains phi nodes, this isn't trivial.
389   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
390     return false;   // Can't handle this.
391   
392   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
393   
394   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
395   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
396   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
397   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
398   // tail, check the header now.
399   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
400     if (I->mayHaveSideEffects())
401       return false;
402   return true;
403 }
404
405 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
406 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
407 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
408 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val) {
409
410   initLoopData();
411
412   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
413   if (!loopPreheader)
414     return false;
415
416   Function *F = loopHeader->getParent();
417
418   Constant *CondVal = 0;
419   BasicBlock *ExitBlock = 0;
420   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
421     // If the condition is trivial, always unswitch. There is no code growth
422     // for this case.
423     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
424     return true;
425   }
426
427   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
428
429   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
430   if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
431     return false;
432
433   // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
434   // consideration code simplification opportunities and code that can
435   // be shared by the resultant unswitched loops.
436   CodeMetrics Metrics;
437   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
438          E = currentLoop->block_end();
439        I != E; ++I)
440     Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
441
442   // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
443   // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
444   // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
445   // This is a very ad-hoc heuristic.
446   if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
447       Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
448       Metrics.containsIndirectBr || Metrics.isRecursive) {
449     DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
450           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
451           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
452     return false;
453   }
454
455   UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
456   return true;
457 }
458
459 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
460 // current values into those specified by VMap.
461 //
462 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
463                                     ValueMap<const Value *, Value*> &VMap) {
464   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
465     Value *Op = I->getOperand(op);
466     ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(Op);
467     if (It != VMap.end()) Op = It->second;
468     I->setOperand(op, Op);
469   }
470 }
471
472 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
473 /// mapping the blocks with the specified map.
474 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, ValueMap<const Value*, Value*> &VM,
475                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
476   Loop *New = new Loop();
477   LPM->insertLoop(New, PL);
478
479   // Add all of the blocks in L to the new loop.
480   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
481        I != E; ++I)
482     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
483       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
484
485   // Add all of the subloops to the new loop.
486   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
487     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
488
489   return New;
490 }
491
492 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
493 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
494 /// code immediately before InsertPt.
495 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
496                                                   BasicBlock *TrueDest,
497                                                   BasicBlock *FalseDest,
498                                                   Instruction *InsertPt) {
499   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
500   // code is the true version and the new code is the false version.
501   Value *BranchVal = LIC;
502   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
503       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
504     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
505   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
506     // We want to enter the new loop when the condition is true.
507     std::swap(TrueDest, FalseDest);
508
509   // Insert the new branch.
510   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
511
512   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
513   // form for enclosing loops.
514   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
515   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
516 }
517
518 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
519 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
520 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
521 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
522 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
523 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
524                                             Constant *Val, 
525                                             BasicBlock *ExitBlock) {
526   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
527         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
528         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
529         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
530   
531   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
532   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
533   // conditional branch on Cond.
534   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
535
536   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
537   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
538   // short-circuit to.
539   
540   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
541   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
542   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
543   // loop header, not the preheader).
544   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
545   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
546     
547   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
548   // insert the new conditional branch.
549   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
550                                  loopPreheader->getTerminator());
551   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
552   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
553
554   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
555   redoLoop = true;
556   
557   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
558   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
559   // at least eliminate the old branch.
560   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
561   ++NumTrivial;
562 }
563
564 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
565 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
566 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
567                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks){
568
569   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
570     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
571     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
572                                        pred_end(ExitBlock));
573     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
574                            ".us-lcssa", this);
575   }
576 }
577
578 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
579 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
580 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
581 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
582                                                Loop *L) {
583   Function *F = loopHeader->getParent();
584   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
585         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
586         << " blocks] in Function " << F->getName()
587         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
588
589   LoopBlocks.clear();
590   NewBlocks.clear();
591
592   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
593   // the LoopBlocks list.
594   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
595   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
596
597   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
598   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
599
600   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
601   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
602
603   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
604   // the appropriate Phi nodes as we do so.
605   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
606
607   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
608   ExitBlocks.clear();
609   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
610
611   // Add exit blocks to the loop blocks.
612   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
613
614   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
615   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
616   // the instructions and blocks.
617   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
618   ValueMap<const Value*, Value*> VMap;
619   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
620     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], VMap, ".us", F);
621     NewBlocks.push_back(NewBB);
622     VMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
623     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
624   }
625
626   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
627   // original preheader.
628   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
629                                 NewBlocks[0], F->end());
630
631   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
632   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), VMap, LI, LPM);
633   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
634   if (ParentLoop) {
635     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
636     // as well.
637     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
638   }
639   
640   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
641     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(VMap[ExitBlocks[i]]);
642     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
643     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
644       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
645     
646     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
647            "Exit block should have been split to have one successor!");
648     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
649
650     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
651     // NewExit.
652     PHINode *PN;
653     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
654       PN = cast<PHINode>(I);
655       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
656       ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(V);
657       if (It != VMap.end()) V = It->second;
658       PN->addIncoming(V, NewExit);
659     }
660   }
661
662   // Rewrite the code to refer to itself.
663   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
664     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
665            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
666       RemapInstruction(I, VMap);
667   
668   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
669   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
670   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
671          "Preheader splitting did not work correctly!");
672
673   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
674   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
675   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
676   OldBR->eraseFromParent();
677
678   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
679   redoLoop = true;
680
681   // Keep a WeakVH holding onto LIC.  If the first call to RewriteLoopBody
682   // deletes the instruction (for example by simplifying a PHI that feeds into
683   // the condition that we're unswitching on), we don't rewrite the second
684   // iteration.
685   WeakVH LICHandle(LIC);
686   
687   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
688   // new code to know that the condition is false.
689   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
690
691   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
692   // changed to another value or a constant.  If its a constant, don't simplify
693   // it.
694   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop &&
695       LICHandle && !isa<Constant>(LICHandle))
696     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LICHandle, Val, true);
697 }
698
699 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
700 /// specified.
701 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
702                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
703   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
704                                                      Worklist.end(), I);
705   while (WI != Worklist.end()) {
706     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
707     Worklist.erase(WI);
708     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
709   }
710 }
711
712 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
713 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
714 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
715                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
716                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
717   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
718
719   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
720   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
721     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
722       Worklist.push_back(Use);
723
724   // Add users to the worklist which may be simplified now.
725   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
726        UI != E; ++UI)
727     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
728   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
729   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
730   I->replaceAllUsesWith(V);
731   I->eraseFromParent();
732   ++NumSimplify;
733 }
734
735 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
736 /// information, and remove any dead successors it has.
737 ///
738 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
739                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
740                                      Loop *L) {
741   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
742     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
743     // are any easy simplifications we can do now.
744     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
745       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
746       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
747         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
748                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
749                           Worklist, L, LPM);
750       
751       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
752       // have an unreachable loop.
753       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
754         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
755           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
756           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
757           // dominates the latch).
758           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
759           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
760           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
761           
762           // The loop is now broken, remove it from LI.
763           RemoveLoopFromHierarchy(L);
764           
765           // Reprocess the header, which now IS dead.
766           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
767           return;
768         }
769       
770       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
771       // the two blocks will get merged.
772       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
773         if (BI->isUnconditional())
774           Worklist.push_back(BI);
775     }
776     return;
777   }
778
779   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
780   
781   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
782   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
783     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
784     
785     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
786     // uses replaced with undefs.
787     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
788     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
789     if (!I->getType()->isVoidTy())
790       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
791   }
792   
793   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
794   // promote all subloops.
795   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
796     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
797       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
798   }
799
800   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
801   // was in.
802   LI->removeBlock(BB);
803   
804   
805   // Remove phi node entries in successors for this block.
806   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
807   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
808   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
809     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
810     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
811   }
812   
813   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
814   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
815   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
816   
817   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
818   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
819   BB->eraseFromParent();
820   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
821   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
822   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
823   //
824   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
825     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
826       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
827       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
828       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
829       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
830       // above and headers can only have two predecessors.
831       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
832         Succs.erase(Succs.begin()+i);
833         --i;
834       }
835     }
836   
837   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
838     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
839 }
840
841 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
842 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
843 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
844 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
845 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
846 /// removed later.
847 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
848   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
849   RemoveLoopFromWorklist(L);
850 }
851
852 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
853 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
854 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
855 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
856                                                         Constant *Val,
857                                                         bool IsEqual) {
858   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
859   
860   // FIXME: Support correlated properties, like:
861   //  for (...)
862   //    if (li1 < li2)
863   //      ...
864   //    if (li1 > li2)
865   //      ...
866   
867   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
868   // selects, switches.
869   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
870   std::vector<Instruction*> Worklist;
871   LLVMContext &Context = Val->getContext();
872
873
874   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
875   // in the loop with the appropriate one directly.
876   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
877       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
878     Value *Replacement;
879     if (IsEqual)
880       Replacement = Val;
881     else
882       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
883                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
884     
885     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
886       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
887         if (!L->contains(U))
888           continue;
889         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
890         Worklist.push_back(U);
891       }
892     SimplifyCode(Worklist, L);
893     return;
894   }
895   
896   // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
897   // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
898   // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
899   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i) {
900     Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]);
901     if (!L->contains(U))
902       continue;
903
904     Worklist.push_back(U);
905
906     // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
907     // 'icmp eq LIC, Val' -> false.
908
909     // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
910     SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U);
911     if (SI == 0 || !isa<ConstantInt>(Val)) continue;
912     
913     unsigned DeadCase = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(Val));
914     if (DeadCase == 0) continue;  // Default case is live for multiple values.
915     
916     // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
917     // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
918     // be in the Users list.
919         
920     // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
921     // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
922     // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
923     // loop structure and put the block on a dead code path.
924     BasicBlock *Switch = SI->getParent();
925     SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(DeadCase), this);
926     // Compute the successors instead of relying on the return value
927     // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
928     // after PHI nodes.
929     BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(DeadCase);
930     BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
931     // Create an "unreachable" destination.
932     BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
933                                            Switch->getParent(),
934                                            OldSISucc);
935     new UnreachableInst(Context, Abort);
936     // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
937     // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
938     NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
939     BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
940                        ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
941     // Release the PHI operands for this edge.
942     for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
943          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
944       PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
945                            UndefValue::get(PN->getType()));
946     // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
947     // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
948     // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
949     // new blocks.
950     if (DT)
951       DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
952   }
953   
954   SimplifyCode(Worklist, L);
955 }
956
957 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
958 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
959 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
960 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
961 /// it must not be used.
962 ///
963 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
964 /// pass.
965 ///
966 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
967   while (!Worklist.empty()) {
968     Instruction *I = Worklist.back();
969     Worklist.pop_back();
970     
971     // Simple constant folding.
972     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
973       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
974       continue;
975     }
976     
977     // Simple DCE.
978     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
979       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
980       
981       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
982       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
983         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
984           Worklist.push_back(Use);
985       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
986       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
987       I->eraseFromParent();
988       ++NumSimplify;
989       continue;
990     }
991     
992     // See if instruction simplification can hack this up.  This is common for
993     // things like "select false, X, Y" after unswitching made the condition be
994     // 'false'.
995     if (Value *V = SimplifyInstruction(I)) {
996       ReplaceUsesOfWith(I, V, Worklist, L, LPM);
997       continue;
998     }
999     
1000     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
1001     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I)) {
1002       if (BI->isUnconditional()) {
1003         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1004         // together.
1005         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1006         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1007         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1008         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1009         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1010
1011         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1012               << Succ->getName() << "\n");
1013         
1014         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1015         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1016           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1017         
1018         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1019         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1020                                    Succ->end());
1021         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1022         BI->eraseFromParent();
1023         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1024         
1025         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1026         // entries coming from Pred instead of Succ.
1027         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1028         
1029         // Remove Succ from the loop tree.
1030         LI->removeBlock(Succ);
1031         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1032         Succ->eraseFromParent();
1033         ++NumSimplify;
1034         continue;
1035       }
1036       
1037       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1038         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1039         // remove dead blocks.
1040         continue;  // FIXME: Enable.
1041
1042         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1043         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1044         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1045         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1046         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1047         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1048         BI->eraseFromParent();
1049         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1050         ++NumSimplify;
1051
1052         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1053       }
1054       continue;
1055     }
1056   }
1057 }