Drop 'const'
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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/LoopInfo.h"
37 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
38 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
39 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
41 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
42 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
43 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
44 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
45 #include "llvm/Support/Compiler.h"
46 #include "llvm/Support/Debug.h"
47 #include <algorithm>
48 #include <set>
49 using namespace llvm;
50
51 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
52 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
53 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
54 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
55 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
56
57 namespace {
58   cl::opt<unsigned>
59   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
60             cl::init(10), cl::Hidden);
61   
62   class VISIBILITY_HIDDEN LoopUnswitch : public LoopPass {
63     LoopInfo *LI;  // Loop information
64     LPPassManager *LPM;
65
66     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
67     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
68     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
69     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
70
71   public:
72     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
73     LoopUnswitch() : LoopPass((intptr_t)&ID) {}
74
75     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
76
77     /// This transformation requires natural loop information & requires that
78     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
79     ///
80     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
81       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
82       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
83       AU.addRequired<LoopInfo>();
84       AU.addPreserved<LoopInfo>();
85       AU.addRequiredID(LCSSAID);
86       AU.addPreservedID(LCSSAID);
87     }
88
89   private:
90     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
91     /// remove it.
92     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
93       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
94                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
95       if (I != LoopProcessWorklist.end())
96         LoopProcessWorklist.erase(I);
97     }
98       
99     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L);
100     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
101     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
102                                   BasicBlock *ExitBlock);
103     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
104     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
105     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
106
107     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
108                                               Constant *Val, bool isEqual);
109     
110     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist);
111     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
112                            std::vector<Instruction*> &Worklist);
113     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
114   };
115   char LoopUnswitch::ID = 0;
116   RegisterPass<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
117 }
118
119 LoopPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
120
121 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
122 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
123 /// Otherwise, return null.
124 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
125   // Constants should be folded, not unswitched on!
126   if (isa<Constant>(Cond)) return false;
127   
128   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
129   // TODO: Hoist simple expressions out of loops.
130   if (L->isLoopInvariant(Cond)) return Cond;
131   
132   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
133     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
134         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
135       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
136       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
137       // simplify in the other one.
138       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
139         return LHS;
140       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
141         return RHS;
142     }
143       
144       return 0;
145 }
146
147 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
148   assert(L->isLCSSAForm());
149   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
150   LPM = &LPM_Ref;
151   bool Changed = false;
152   
153   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
154   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
155   // loop.
156   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
157        I != E; ++I) {
158     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
159     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
160       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
161       // it.
162       if (BI->isConditional()) {
163         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
164         // unswitch on it if we desire.
165         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), L, Changed);
166         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantInt::getTrue(),
167                                              L)) {
168           ++NumBranches;
169           return true;
170         }
171       }      
172     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
173       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
174       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
175         // Find a value to unswitch on:
176         // FIXME: this should chose the most expensive case!
177         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
178         // Do not process same value again and again.
179         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
180           continue;
181
182         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal, L)) {
183           ++NumSwitches;
184           return true;
185         }
186       }
187     }
188     
189     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
190     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
191          BBI != E; ++BBI)
192       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
193         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
194         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantInt::getTrue(),
195                                              L)) {
196           ++NumSelects;
197           return true;
198         }
199       }
200   }
201   
202   assert(L->isLCSSAForm());
203   
204   return Changed;
205 }
206
207 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
208 ///   1. Exit the loop with no side effects.
209 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
210 ///
211 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
212 /// exit through.
213 ///
214 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
215                                          BasicBlock *&ExitBB,
216                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
217   if (!Visited.insert(BB).second) {
218     // Already visited and Ok, end of recursion.
219     return true;
220   } else if (!L->contains(BB)) {
221     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
222     // first exit.
223     if (ExitBB != 0) return false;
224     ExitBB = BB;
225     return true;
226   }
227   
228   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
229   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
230     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
231     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
232       return false;
233   }
234
235   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
236   // doesn't include any side effects.
237   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
238     if (I->mayWriteToMemory())
239       return false;
240   
241   return true;
242 }
243
244 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
245 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
246 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
247 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
248   std::set<BasicBlock*> Visited;
249   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
250   BasicBlock *ExitBB = 0;
251   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
252     return ExitBB;
253   return 0;
254 }
255
256 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
257 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
258 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
259 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
260 /// loop, which gets deleted).
261 ///
262 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
263 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
264 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
265 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
266 /// Cond == Val.
267 ///
268 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant **Val = 0,
269                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
270   BasicBlock *Header = L->getHeader();
271   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
272   
273   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
274   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
275     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
276     // can't handle it.
277     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
278       return false;
279   
280     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
281     // latch block or exit through a one exit block without having any 
282     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
283     // this.
284     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
285       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue();
286     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
287       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse();
288     }
289   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
290     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
291     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
292     
293     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
294     // latch block or exit through a one exit block without having any 
295     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
296     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
297     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
298       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
299         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
300         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
301         break;
302       }
303   }
304
305   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
306   // contains phi nodes, this isn't trivial.
307   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
308     return false;   // Can't handle this.
309   
310   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
311   
312   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
313   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
314   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
315   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
316   // tail, check the header now.
317   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
318     if (I->mayWriteToMemory())
319       return false;
320   return true;
321 }
322
323 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
324 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
325 ///
326 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
327   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
328   // this case.
329   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
330     return 0;
331   
332   // FIXME: This is really overly conservative.  However, more liberal 
333   // estimations have thus far resulted in excessive unswitching, which is bad
334   // both in compile time and in code size.  This should be replaced once
335   // someone figures out how a good estimation.
336   return L->getBlocks().size();
337   
338   unsigned Cost = 0;
339   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
340   // shrinkage.
341   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
342        I != E; ++I) {
343     BasicBlock *BB = *I;
344     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
345     // loop canonicalization and will be removed.
346     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
347       continue;
348     
349     // Count basic blocks.
350     ++Cost;
351   }
352
353   return Cost;
354 }
355
356 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
357 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
358 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
359 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
360   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
361   unsigned Cost = getLoopUnswitchCost(L, LoopCond);
362   if (Cost > Threshold) {
363     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
364     // resultant unswitched loops.
365     //
366     DOUT << "NOT unswitching loop %"
367          << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
368          << L->getBlocks().size() << "\n";
369     return false;
370   }
371   
372   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
373   // duplication), do it now.
374   Constant *CondVal;
375   BasicBlock *ExitBlock;
376   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
377     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
378   } else {
379     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, L);
380   }
381  
382   return true;
383 }
384
385 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
386 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
387 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
388 /// the loop info is updated.
389 ///
390 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
391   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
392   while (isa<PHINode>(SplitIt))
393     ++SplitIt;
394   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
395
396   // The new block lives in whichever loop the old one did.
397   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
398     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
399   
400   return New;
401 }
402
403
404 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
405   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
406   unsigned SuccNum = 0;
407   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
408     assert(i != e && "Didn't find edge?");
409     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
410       SuccNum = i;
411       break;
412     }
413   }
414   
415   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
416   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
417     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
418
419   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
420   // single pred.  Split the block.
421   BasicBlock::iterator SplitPoint;
422   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
423     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
424     // block.
425     assert(SP == BB && "CFG broken");
426     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
427   } else {
428     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
429     // block.
430     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
431            "Should have a single succ!"); 
432     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
433   }
434 }
435   
436
437
438 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
439 // current values into those specified by ValueMap.
440 //
441 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
442                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
443   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
444     Value *Op = I->getOperand(op);
445     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
446     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
447     I->setOperand(op, Op);
448   }
449 }
450
451 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
452 /// mapping the blocks with the specified map.
453 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, DenseMap<const Value*, Value*> &VM,
454                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
455   Loop *New = new Loop();
456
457   LPM->insertLoop(New, PL);
458
459   // Add all of the blocks in L to the new loop.
460   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
461        I != E; ++I)
462     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
463       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
464
465   // Add all of the subloops to the new loop.
466   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
467     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
468
469   return New;
470 }
471
472 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
473 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
474 /// code immediately before InsertPt.
475 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
476                                            BasicBlock *TrueDest,
477                                            BasicBlock *FalseDest,
478                                            Instruction *InsertPt) {
479   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
480   // code is the true version and the new code is the false version.
481   Value *BranchVal = LIC;
482   if (!isa<ConstantInt>(Val) || Val->getType() != Type::Int1Ty)
483     BranchVal = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp", InsertPt);
484   else if (Val != ConstantInt::getTrue())
485     // We want to enter the new loop when the condition is true.
486     std::swap(TrueDest, FalseDest);
487
488   // Insert the new branch.
489   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
490 }
491
492
493 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
494 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
495 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
496 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
497 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
498 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
499                                             Constant *Val, 
500                                             BasicBlock *ExitBlock) {
501   DOUT << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
502        << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
503        << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
504        << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n";
505   
506   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
507   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
508   // conditional branch on Cond.
509   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
510   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
511
512   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
513   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
514   // short-circuit to.
515   
516   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
517   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
518   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
519   // loop header, not the preheader).
520   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
521   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
522     
523   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
524   // insert the new conditional branch.
525   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
526                                  OrigPH->getTerminator());
527   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
528
529   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
530   LPM->redoLoop(L);
531   
532   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
533   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
534   // at least eliminate the old branch.
535   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
536   ++NumTrivial;
537 }
538
539
540 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
541 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
542 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
543 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
544                                                Loop *L) {
545   Function *F = L->getHeader()->getParent();
546   DOUT << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
547        << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
548        << " blocks] in Function " << F->getName()
549        << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n";
550
551   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
552   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
553   // loop, in that order.
554   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
555
556   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
557   // the LoopBlocks list.
558   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
559   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
560
561   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
562   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
563
564   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
565   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
566
567   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
568   // the appropriate Phi nodes as we do so.
569   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
570     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
571     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
572
573     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
574       assert(L->contains(Preds[j]) &&
575              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
576       BasicBlock* MiddleBlock = SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
577       BasicBlock* StartBlock = Preds[j];
578       BasicBlock* EndBlock;
579       if (MiddleBlock->getSinglePredecessor() == ExitBlock) {
580         EndBlock = MiddleBlock;
581         MiddleBlock = EndBlock->getSinglePredecessor();;
582       } else {
583         EndBlock = ExitBlock;
584       }
585       
586       std::set<PHINode*> InsertedPHIs;
587       PHINode* OldLCSSA = 0;
588       for (BasicBlock::iterator I = EndBlock->begin();
589            (OldLCSSA = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
590         Value* OldValue = OldLCSSA->getIncomingValueForBlock(MiddleBlock);
591         PHINode* NewLCSSA = new PHINode(OldLCSSA->getType(),
592                                         OldLCSSA->getName() + ".us-lcssa",
593                                         MiddleBlock->getTerminator());
594         NewLCSSA->addIncoming(OldValue, StartBlock);
595         OldLCSSA->setIncomingValue(OldLCSSA->getBasicBlockIndex(MiddleBlock),
596                                    NewLCSSA);
597         InsertedPHIs.insert(NewLCSSA);
598       }
599
600       BasicBlock::iterator InsertPt = EndBlock->begin();
601       while (dyn_cast<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
602       for (BasicBlock::iterator I = MiddleBlock->begin();
603          (OldLCSSA = dyn_cast<PHINode>(I)) && InsertedPHIs.count(OldLCSSA) == 0;
604          ++I) {
605         PHINode *NewLCSSA = new PHINode(OldLCSSA->getType(),
606                                         OldLCSSA->getName() + ".us-lcssa",
607                                         InsertPt);
608         OldLCSSA->replaceAllUsesWith(NewLCSSA);
609         NewLCSSA->addIncoming(OldLCSSA, MiddleBlock);
610       }
611     }    
612   }
613   
614   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
615   ExitBlocks.clear();
616   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
617
618   // Add exit blocks to the loop blocks.
619   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
620
621   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
622   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
623   // the instructions and blocks.
624   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
625   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
626   DenseMap<const Value*, Value*> ValueMap;
627   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
628     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
629     NewBlocks.push_back(New);
630     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
631   }
632
633   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
634   // original preheader.
635   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
636                                 NewBlocks[0], F->end());
637
638   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
639   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI, LPM);
640   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
641   if (ParentLoop) {
642     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
643     // as well.
644     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
645   }
646   
647   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
648     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
649     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
650     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
651       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
652     
653     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
654            "Exit block should have been split to have one successor!");
655     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
656     
657     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
658     // NewExit.
659     PHINode *PN;
660     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
661          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
662       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
663       DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
664       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
665       PN->addIncoming(V, NewExit);
666     }
667   }
668
669   // Rewrite the code to refer to itself.
670   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
671     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
672            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
673       RemapInstruction(I, ValueMap);
674   
675   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
676   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
677   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
678          "Preheader splitting did not work correctly!");
679
680   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
681   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
682   OldBR->eraseFromParent();
683   
684   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
685   LPM->redoLoop(L);
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   // deleted.  If so, don't simplify it.
693   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
694     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
695 }
696
697 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
698 /// specified.
699 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
700                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
701   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
702                                                      Worklist.end(), I);
703   while (WI != Worklist.end()) {
704     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
705     Worklist.erase(WI);
706     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
707   }
708 }
709
710 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
711 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
712 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
713                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
714   DOUT << "Replace with '" << *V << "': " << *I;
715
716   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
717   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
718     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
719       Worklist.push_back(Use);
720
721   // Add users to the worklist which may be simplified now.
722   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
723        UI != E; ++UI)
724     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
725   I->replaceAllUsesWith(V);
726   I->eraseFromParent();
727   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
728   ++NumSimplify;
729 }
730
731 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
732 /// information, and remove any dead successors it has.
733 ///
734 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
735                                      std::vector<Instruction*> &Worklist) {
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);
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 (L->getHeader() == 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           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
754           new UnreachableInst(Pred);
755           
756           // The loop is now broken, remove it from LI.
757           RemoveLoopFromHierarchy(L);
758           
759           // Reprocess the header, which now IS dead.
760           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist);
761           return;
762         }
763       
764       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
765       // the two blocks will get merged.
766       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
767         if (BI->isUnconditional())
768           Worklist.push_back(BI);
769     }
770     return;
771   }
772
773   DOUT << "Nuking dead block: " << *BB;
774   
775   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
776   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
777     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
778     
779     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
780     // uses replaced with undefs.
781     if (!I->use_empty())
782       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
783   }
784   
785   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
786   // promote all subloops.
787   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
788     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
789       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
790   }
791
792   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
793   // was in.
794   LI->removeBlock(BB);
795   
796   
797   // Remove phi node entries in successors for this block.
798   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
799   std::vector<BasicBlock*> Succs;
800   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
801     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
802     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
803   }
804   
805   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
806   std::sort(Succs.begin(), Succs.end());
807   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
808   
809   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
810   BB->eraseFromParent();
811   
812   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
813   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
814   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
815   //
816   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
817     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
818       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
819       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
820       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
821       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
822       // above and headers can only have two predecessors.
823       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
824         Succs.erase(Succs.begin()+i);
825         --i;
826       }
827     }
828   
829   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
830     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist);
831 }
832
833 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
834 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
835 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
836 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
837 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
838 /// removed later.
839 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
840   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
841   RemoveLoopFromWorklist(L);
842 }
843
844
845
846 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
847 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
848 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
849 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
850                                                         Constant *Val,
851                                                         bool IsEqual) {
852   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
853   
854   // FIXME: Support correlated properties, like:
855   //  for (...)
856   //    if (li1 < li2)
857   //      ...
858   //    if (li1 > li2)
859   //      ...
860   
861   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
862   // selects, switches.
863   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
864   std::vector<Instruction*> Worklist;
865
866   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
867   // in the loop with the appropriate one directly.
868   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) && Val->getType() == Type::Int1Ty)) {
869     Value *Replacement;
870     if (IsEqual)
871       Replacement = Val;
872     else
873       Replacement = ConstantInt::get(Type::Int1Ty, 
874                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
875     
876     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
877       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
878         if (!L->contains(U->getParent()))
879           continue;
880         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
881         Worklist.push_back(U);
882       }
883   } else {
884     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
885     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
886     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
887     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
888       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
889         if (!L->contains(U->getParent()))
890           continue;
891
892         Worklist.push_back(U);
893
894         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
895         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
896           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
897             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
898               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
899               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
900               // be in the Users list.
901               
902               // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
903               // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
904               // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
905               // loop structure and put the block on an dead code path.
906               
907               BasicBlock* Old = SI->getParent();
908               BasicBlock* Split = SplitBlock(Old, SI);
909               
910               Instruction* OldTerm = Old->getTerminator();
911               new BranchInst(Split, SI->getSuccessor(i),
912                              ConstantInt::getTrue(), OldTerm);
913               
914               Old->getTerminator()->eraseFromParent();
915               
916               
917               PHINode *PN;
918               for (BasicBlock::iterator II = SI->getSuccessor(i)->begin();
919                    (PN = dyn_cast<PHINode>(II)); ++II) {
920                 Value *InVal = PN->removeIncomingValue(Split, false);
921                 PN->addIncoming(InVal, Old);
922               }
923
924               SI->removeCase(i);
925               break;
926             }
927           }
928         }
929         
930         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
931         // LIC == Val -> false.
932       }
933   }
934   
935   SimplifyCode(Worklist);
936 }
937
938 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
939 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
940 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
941 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
942 /// it must not be used.
943 ///
944 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
945 /// pass.
946 ///
947 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist) {
948   while (!Worklist.empty()) {
949     Instruction *I = Worklist.back();
950     Worklist.pop_back();
951     
952     // Simple constant folding.
953     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
954       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
955       continue;
956     }
957     
958     // Simple DCE.
959     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
960       DOUT << "Remove dead instruction '" << *I;
961       
962       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
963       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
964         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
965           Worklist.push_back(Use);
966       I->eraseFromParent();
967       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
968       ++NumSimplify;
969       continue;
970     }
971     
972     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
973     switch (I->getOpcode()) {
974     case Instruction::Select:
975       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(0))) {
976         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getZExtValue()+1), Worklist);
977         continue;
978       }
979       break;
980     case Instruction::And:
981       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) && 
982           I->getOperand(0)->getType() == Type::Int1Ty)   // constant -> RHS
983         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
984       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) 
985         if (CB->getType() == Type::Int1Ty) {
986           if (CB->isOne())      // X & 1 -> X
987             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
988           else                  // X & 0 -> 0
989             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
990           continue;
991         }
992       break;
993     case Instruction::Or:
994       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) &&
995           I->getOperand(0)->getType() == Type::Int1Ty)   // constant -> RHS
996         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
997       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
998         if (CB->getType() == Type::Int1Ty) {
999           if (CB->isOne())   // X | 1 -> 1
1000             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1001           else                  // X | 0 -> X
1002             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1003           continue;
1004         }
1005       break;
1006     case Instruction::Br: {
1007       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1008       if (BI->isUnconditional()) {
1009         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1010         // together.
1011         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1012         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1013         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1014         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1015         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1016
1017         DOUT << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1018              << Succ->getName() << "\n";
1019         
1020         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1021         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1022           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
1023         
1024         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1025         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1026                                    Succ->end());
1027         BI->eraseFromParent();
1028         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1029         
1030         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1031         // entries coming from Pred instead of Succ.
1032         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1033         
1034         // Remove Succ from the loop tree.
1035         LI->removeBlock(Succ);
1036         Succ->eraseFromParent();
1037         ++NumSimplify;
1038       } else if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1039         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1040         // remove dead blocks.
1041         break;  // FIXME: Enable.
1042
1043         DOUT << "Folded branch: " << *BI;
1044         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1045         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1046         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1047         Worklist.push_back(new BranchInst(LiveSucc, BI));
1048         BI->eraseFromParent();
1049         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1050         ++NumSimplify;
1051
1052         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist);
1053       }
1054       break;
1055     }
1056     }
1057   }
1058 }