Code clean up.
[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/LoopInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
45 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include <algorithm>
50 #include <set>
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
54 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
55 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
56 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
57 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
58
59 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
60 // few specific examples.
61 static cl::opt<unsigned>
62 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
63           cl::init(50), cl::Hidden);
64   
65 namespace {
66   class LoopUnswitch : public LoopPass {
67     LoopInfo *LI;  // Loop information
68     LPPassManager *LPM;
69
70     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
71     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
72     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
73     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
74     
75     bool OptimizeForSize;
76     bool redoLoop;
77
78     Loop *currentLoop;
79     DominanceFrontier *DF;
80     DominatorTree *DT;
81     BasicBlock *loopHeader;
82     BasicBlock *loopPreheader;
83     
84     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
85     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
86     // loop, in that order.
87     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
88     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
89     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
90
91   public:
92     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
93     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
94       LoopPass(&ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
95       currentLoop(NULL), DF(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
96       loopPreheader(NULL) {}
97
98     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
99     bool processCurrentLoop();
100
101     /// This transformation requires natural loop information & requires that
102     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
103     ///
104     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
105       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
106       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
107       AU.addRequired<LoopInfo>();
108       AU.addPreserved<LoopInfo>();
109       AU.addRequiredID(LCSSAID);
110       AU.addPreservedID(LCSSAID);
111       AU.addPreserved<DominatorTree>();
112       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
113     }
114
115   private:
116
117     virtual void releaseMemory() {
118       UnswitchedVals.clear();
119     }
120
121     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
122     /// remove it.
123     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
124       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
125                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
126       if (I != LoopProcessWorklist.end())
127         LoopProcessWorklist.erase(I);
128     }
129
130     void initLoopData() {
131       loopHeader = currentLoop->getHeader();
132       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
133     }
134
135     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
136     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
137     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
138
139     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
140     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
141                                   BasicBlock *ExitBlock);
142     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
143
144     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
145                                               Constant *Val, bool isEqual);
146
147     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
148                                         BasicBlock *TrueDest, 
149                                         BasicBlock *FalseDest,
150                                         Instruction *InsertPt);
151
152     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
153     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
154                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
155     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
156     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
157                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
158
159   };
160 }
161 char LoopUnswitch::ID = 0;
162 static RegisterPass<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
163
164 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
165   return new LoopUnswitch(Os); 
166 }
167
168 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
169 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
170 /// Otherwise, return null.
171 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
172   // We can never unswitch on vector conditions.
173   if (Cond->getType()->isVectorTy())
174     return 0;
175
176   // Constants should be folded, not unswitched on!
177   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
178
179   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
180
181   // Hoist simple values out.
182   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
183     return Cond;
184
185   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
186     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
187         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
188       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
189       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
190       // simplify in the other one.
191       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
192         return LHS;
193       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
194         return RHS;
195     }
196   
197   return 0;
198 }
199
200 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
201   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
202   LPM = &LPM_Ref;
203   DF = getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>();
204   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
205   currentLoop = L;
206   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
207   bool Changed = false;
208   do {
209     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
210     redoLoop = false;
211     Changed |= processCurrentLoop();
212   } while(redoLoop);
213
214   if (Changed) {
215     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
216     if (DT)
217       DT->runOnFunction(*F);
218     if (DF)
219       DF->runOnFunction(*F);
220   }
221   return Changed;
222 }
223
224 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
225 /// and profitable.
226 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
227   bool Changed = false;
228   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
229
230   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
231   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
232   // loop.
233   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
234          E = currentLoop->block_end();
235        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.NeverInline) {
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 ValueMap.
461 //
462 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
463                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
464   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
465     Value *Op = I->getOperand(op);
466     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
467     if (It != ValueMap.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, DenseMap<const Value*, Value*> &VM,
475                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
476   Loop *New = new Loop();
477
478   LPM->insertLoop(New, PL);
479
480   // Add all of the blocks in L to the new loop.
481   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
482        I != E; ++I)
483     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
484       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
485
486   // Add all of the subloops to the new loop.
487   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
488     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
489
490   return New;
491 }
492
493 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
494 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
495 /// code immediately before InsertPt.
496 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
497                                                   BasicBlock *TrueDest,
498                                                   BasicBlock *FalseDest,
499                                                   Instruction *InsertPt) {
500   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
501   // code is the true version and the new code is the false version.
502   Value *BranchVal = LIC;
503   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
504       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
505     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
506   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
507     // We want to enter the new loop when the condition is true.
508     std::swap(TrueDest, FalseDest);
509
510   // Insert the new branch.
511   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
512
513   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
514   // form for enclosing loops.
515   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
516   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
517 }
518
519 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
520 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
521 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
522 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
523 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
524 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
525                                             Constant *Val, 
526                                             BasicBlock *ExitBlock) {
527   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
528         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
529         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
530         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
531   
532   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
533   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
534   // conditional branch on Cond.
535   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
536
537   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
538   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
539   // short-circuit to.
540   
541   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
542   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
543   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
544   // loop header, not the preheader).
545   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
546   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
547     
548   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
549   // insert the new conditional branch.
550   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
551                                  loopPreheader->getTerminator());
552   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
553   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
554
555   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
556   redoLoop = true;
557   
558   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
559   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
560   // at least eliminate the old branch.
561   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
562   ++NumTrivial;
563 }
564
565 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
566 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
567 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
568                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks) 
569 {
570
571   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
572     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
573     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
574                                        pred_end(ExitBlock));
575     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
576                            ".us-lcssa", this);
577   }
578 }
579
580 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
581 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
582 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
583 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
584                                                Loop *L) {
585   Function *F = loopHeader->getParent();
586   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
587         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
588         << " blocks] in Function " << F->getName()
589         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
590
591   LoopBlocks.clear();
592   NewBlocks.clear();
593
594   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
595   // the LoopBlocks list.
596   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
597   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
598
599   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
600   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
601
602   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
603   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
604
605   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
606   // the appropriate Phi nodes as we do so.
607   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
608
609   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
610   ExitBlocks.clear();
611   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
612
613   // Add exit blocks to the loop blocks.
614   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
615
616   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
617   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
618   // the instructions and blocks.
619   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
620   DenseMap<const Value*, Value*> ValueMap;
621   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
622     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
623     NewBlocks.push_back(NewBB);
624     ValueMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
625     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
626   }
627
628   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
629   // original preheader.
630   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
631                                 NewBlocks[0], F->end());
632
633   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
634   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI, LPM);
635   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
636   if (ParentLoop) {
637     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
638     // as well.
639     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
640   }
641   
642   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
643     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
644     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
645     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
646       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
647     
648     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
649            "Exit block should have been split to have one successor!");
650     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
651
652     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
653     // NewExit.
654     PHINode *PN;
655     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
656       PN = cast<PHINode>(I);
657       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
658       DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
659       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
660       PN->addIncoming(V, NewExit);
661     }
662   }
663
664   // Rewrite the code to refer to itself.
665   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
666     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
667            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
668       RemapInstruction(I, ValueMap);
669   
670   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
671   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
672   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
673          "Preheader splitting did not work correctly!");
674
675   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
676   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
677   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
678   OldBR->eraseFromParent();
679
680   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
681   redoLoop = true;
682
683   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
684   // new code to know that the condition is false.
685   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
686   
687   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
688   // deleted.  If so, don't simplify it.
689   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
690     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
691
692 }
693
694 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
695 /// specified.
696 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
697                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
698   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
699                                                      Worklist.end(), I);
700   while (WI != Worklist.end()) {
701     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
702     Worklist.erase(WI);
703     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
704   }
705 }
706
707 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
708 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
709 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
710                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
711                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
712   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
713
714   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
715   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
716     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
717       Worklist.push_back(Use);
718
719   // Add users to the worklist which may be simplified now.
720   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
721        UI != E; ++UI)
722     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
723   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
724   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
725   I->replaceAllUsesWith(V);
726   I->eraseFromParent();
727   ++NumSimplify;
728 }
729
730 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
731 /// information, and remove any dead successors it has.
732 ///
733 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
734                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
735                                      Loop *L) {
736   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
737     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
738     // are any easy simplifications we can do now.
739     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
740       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
741       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
742         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
743                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
744                           Worklist, L, LPM);
745       
746       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
747       // have an unreachable loop.
748       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
749         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
750           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
751           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
752           // dominates the latch).
753           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
754           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
755           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
756           
757           // The loop is now broken, remove it from LI.
758           RemoveLoopFromHierarchy(L);
759           
760           // Reprocess the header, which now IS dead.
761           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
762           return;
763         }
764       
765       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
766       // the two blocks will get merged.
767       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
768         if (BI->isUnconditional())
769           Worklist.push_back(BI);
770     }
771     return;
772   }
773
774   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
775   
776   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
777   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
778     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
779     
780     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
781     // uses replaced with undefs.
782     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
783     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
784     if (!I->getType()->isVoidTy())
785       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
786   }
787   
788   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
789   // promote all subloops.
790   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
791     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
792       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
793   }
794
795   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
796   // was in.
797   LI->removeBlock(BB);
798   
799   
800   // Remove phi node entries in successors for this block.
801   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
802   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
803   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
804     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
805     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
806   }
807   
808   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
809   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
810   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
811   
812   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
813   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
814   BB->eraseFromParent();
815   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
816   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
817   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
818   //
819   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
820     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
821       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
822       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
823       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
824       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
825       // above and headers can only have two predecessors.
826       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
827         Succs.erase(Succs.begin()+i);
828         --i;
829       }
830     }
831   
832   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
833     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
834 }
835
836 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
837 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
838 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
839 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
840 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
841 /// removed later.
842 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
843   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
844   RemoveLoopFromWorklist(L);
845 }
846
847 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
848 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
849 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
850 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
851                                                         Constant *Val,
852                                                         bool IsEqual) {
853   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
854   
855   // FIXME: Support correlated properties, like:
856   //  for (...)
857   //    if (li1 < li2)
858   //      ...
859   //    if (li1 > li2)
860   //      ...
861   
862   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
863   // selects, switches.
864   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
865   std::vector<Instruction*> Worklist;
866   LLVMContext &Context = Val->getContext();
867
868
869   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
870   // in the loop with the appropriate one directly.
871   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
872       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
873     Value *Replacement;
874     if (IsEqual)
875       Replacement = Val;
876     else
877       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
878                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
879     
880     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
881       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
882         if (!L->contains(U))
883           continue;
884         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
885         Worklist.push_back(U);
886       }
887   } else {
888     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
889     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
890     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
891     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
892       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
893         if (!L->contains(U))
894           continue;
895
896         Worklist.push_back(U);
897
898         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
899         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
900           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
901             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
902               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
903               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
904               // be in the Users list.
905               
906               // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
907               // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
908               // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
909               // loop structure and put the block on a dead code path.
910               BasicBlock *Switch = SI->getParent();
911               SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(i), this);
912               // Compute the successors instead of relying on the return value
913               // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
914               // after PHI nodes.
915               BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(i);
916               BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
917               // Create an "unreachable" destination.
918               BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
919                                                      Switch->getParent(),
920                                                      OldSISucc);
921               new UnreachableInst(Context, Abort);
922               // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
923               // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
924               NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
925               BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
926                                  ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
927               // Release the PHI operands for this edge.
928               for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
929                    PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
930                 PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
931                                      UndefValue::get(PN->getType()));
932               // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
933               // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
934               // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
935               // new blocks.
936               if (DT)
937                 DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
938               break;
939             }
940           }
941         }
942         
943         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
944         // LIC == Val -> false.
945       }
946   }
947   
948   SimplifyCode(Worklist, L);
949 }
950
951 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
952 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
953 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
954 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
955 /// it must not be used.
956 ///
957 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
958 /// pass.
959 ///
960 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
961   while (!Worklist.empty()) {
962     Instruction *I = Worklist.back();
963     Worklist.pop_back();
964     
965     // Simple constant folding.
966     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
967       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
968       continue;
969     }
970     
971     // Simple DCE.
972     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
973       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
974       
975       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
976       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
977         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
978           Worklist.push_back(Use);
979       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
980       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
981       I->eraseFromParent();
982       ++NumSimplify;
983       continue;
984     }
985     
986     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
987     switch (I->getOpcode()) {
988     case Instruction::Select:
989       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(0))) {
990         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getZExtValue()+1), Worklist, L,
991                           LPM);
992         continue;
993       }
994       break;
995     case Instruction::And:
996       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) && 
997           // constant -> RHS
998           I->getOperand(0)->getType()->isIntegerTy(1))
999         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1000       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) 
1001         if (CB->getType()->isIntegerTy(1)) {
1002           if (CB->isOne())      // X & 1 -> X
1003             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1004           else                  // X & 0 -> 0
1005             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1006           continue;
1007         }
1008       break;
1009     case Instruction::Or:
1010       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) &&
1011           // constant -> RHS
1012           I->getOperand(0)->getType()->isIntegerTy(1))
1013         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1014       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1015         if (CB->getType()->isIntegerTy(1)) {
1016           if (CB->isOne())   // X | 1 -> 1
1017             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist, L, LPM);
1018           else                  // X | 0 -> X
1019             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist, L, LPM);
1020           continue;
1021         }
1022       break;
1023     case Instruction::Br: {
1024       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1025       if (BI->isUnconditional()) {
1026         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1027         // together.
1028         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1029         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1030         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1031         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1032         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1033
1034         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1035               << Succ->getName() << "\n");
1036         
1037         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1038         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1039           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1040         
1041         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1042         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1043                                    Succ->end());
1044         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1045         BI->eraseFromParent();
1046         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1047         
1048         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1049         // entries coming from Pred instead of Succ.
1050         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1051         
1052         // Remove Succ from the loop tree.
1053         LI->removeBlock(Succ);
1054         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1055         Succ->eraseFromParent();
1056         ++NumSimplify;
1057       } else if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1058         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1059         // remove dead blocks.
1060         break;  // FIXME: Enable.
1061
1062         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1063         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1064         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1065         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1066         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1067         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1068         BI->eraseFromParent();
1069         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1070         ++NumSimplify;
1071
1072         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1073       }
1074       break;
1075     }
1076     }
1077   }
1078 }